不同年龄段人群的动态有效视野研究

李吉涛，秦 华，冉令华，于瑞峰，邬 歆

(1.北京建筑大学 机电与车辆工程学院，北京 102616；2.中国标准化研究院，北京 100088；3.清华大学 工业工程系，北京 100084；4.北京汇云易听网络科技有限公司 北京 100084)

视觉搜索在阅读、安检、工业检测、汽车驾驶、军事等领域具有广泛的应用[1-2]。有效视野也叫做“功能视野”，它是一项基本的人体视觉空间特性。大量研究表明，有效视野对视觉搜索绩效具有显著的影响。Courtney等[3]的研究发现，视野的大小与视觉搜索绩效有关联，视野边缘的不规则对于搜索绩效具有显著影响。Schoonahd等[4]的实验研究发现，在集成电路芯片检测中，视野大小与视觉搜索绩效具有正相关性。Courtney等[5]对视野面积与搜索绩效的关系进行了实验研究，发现视野面积越大，搜索绩效越好。杨林栋等[6]的研究表明，高强度视野训练能有效增大视野面积，改善视野圆度，极大地提高视觉搜索绩效。视野测量可评价不同人群对复杂变化目标的感知能力、定位能力和识别能力，已经被作为预测视觉搜索绩效的有效工具[7]。例如，视野可作为预测驾驶的绩效和安全性的指标[8-10]。Owsley等[11]发现老年驾驶人的有效视野测试结果与驾驶事故率相关，当有效视野损失高于40%时，其驾驶事故率比平均事故率要高出2.2倍。

早期针对有效视野形状的研究主要集中在视野面积，随后有研究表明，视野形状对于搜索绩效具有显著影响[12-14]。Chan等[15]提出了一套完善的有效视野形状指数体系，主要包含5大类、16个形状指数，其中，圆度指数中的形状因子将视野面积和视野周长均纳入考虑。

随着年龄增加，人的视觉功能发生生理性衰退，视野特性发生改变，视觉搜索能力也大幅下降[16-18]，尤其是当目标与刺激之间没有显著差异时[19]。Potter等[20]的研究表明，视觉搜索绩效在中年开始下降，年龄增加越多，搜索绩效下降越多。郭凤香等[21]对老年驾驶员的有效视野研究表明，随着年龄增加，老年驾驶员对外围视觉信息的获取能力呈下降的趋势。当前，针对不同年龄段人群进行的研究主要集中在静态视野，或者是只研究了动态视野对于视野面积变化的影响。例如，于晓雅等[22]测量了老年组和青年组被试的动态视野面积，实验结果表明老年人随着年龄增加动态视野老化变窄。Yu等[23]对不同年龄段人群的静态有效视野和搜索绩效进行了研究，发现20-30岁人群视野面积缩减较慢，30岁后变化速度加快，到了50岁后变化又有所趋缓，同时，随着年龄的增加，静态视觉搜索绩效呈显著下降趋势。

在实际的生产和生活中，大部分视觉场景都是动态场景，例如驾驶情景、行李X光机安检等。Yu等[24]的研究表明，在动态情形下的视觉搜索特性和静态情形有所不同，因此有必要对动态功能视野进行测试。Yang等[25]基于静态有效视野的定义，提出了动态有效视野的定义和测试方法，开发了动态有效视野测试系统，并验证了该测试系统的可靠性。在该研究中，对于动态有效视野的定义为当搜索者注视搜索区域内某一匀速移动的凝视点，使眼球保持恒定转动时，搜索区域目标识别标签被搜索者识别到的几率大于等于50%的位置点所构成的区域集合即为动态有效视野。

随着人口老龄化的发展，中老年人进行驾驶、运动的比例也大幅增加。动态有效视野可评价不同人群对变化目标的感知能力、定位能力和识别能力。本文通过不同年龄段人群的动态有效视野实验，探究年龄对视野周长、视野面积及视野形状因子等视野特性变化规律的影响，为针对不同年龄段人群设计动态视觉搜索任务提供指导。

1 方法

1.1 被试

在北京招募18~75岁的被试人群，分为青年、中年和老年3个年龄组，所有被试的身体健康状况良好，在测试前均进行视力检查。为了排除视力对视野测试的影响，3个组别中筛除了视力低于0.8的被试，确保不同组别被试的双眼矫正视力均值相同。各年龄组被试的基本信息如表1所示。

表1 被试年龄信息表Table 1 Participant age information form

1.2 实验设备

测试使用安特美显示器，型号为AN-230w01D，分辨率为1920×1080。

图1 测试界面图形Figure 1 Test interface

采用视觉测试系统进行动态有效视野测试。该系统基于于瑞峰等人对动态有效视野的定义和测试方法进行开发。该系统包含2种测试界面图形(如图1所示)，第1种图形为任务界面，第2种图形为判断界面，每种图形均由1个凝视点和多个触点组成。任务界面包含72个触点，均匀分布在以凝视点为起点的9个同心圆和8条呈放射状的轴线交叉点上。放射状轴线分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°，凝视点符号为实心红色圆圈，干扰符号为白色十字叉“×”，目标符号为白色空心圆圈“○”。判断界面包含2种不同的识别标签，分别为实心红色圆圈的凝视点及“＋”覆盖标签。

当测试系统界面中的凝视点始终位于图片中间，即运动速度为0°/s时，此时可进行静态有效视野测试。当凝视点沿x轴水平从左到右以不同的速度移动时，可进行动态有效视野测试。当凝视点接近显示屏幕中央时，显示屏幕显示出以该凝视点为圆心的第1种测试图形，该图形继续向右移动至设定的刺激呈现时间，第1种图形消失。第1种图形消失处，出现第2种图形，测试者需用鼠标点击记忆中第1种图形上目标符号所在位置的第2种图形上覆盖标签的触点。

测试界面为白色背景，黑色刺激。每1个刺激中，目标符号(空心圆圈)随机呈现在第1种图形上72个触点中的某1个。为了避免被试眼球出现因扫视运动而多次注视刺激图像或注视其他地方，将刺激呈现时间设置为300 ms[26]。在每个可能的位置上，目标符号随机呈现2次，如果被试至少有1次判断正确，则表明该位置在被试的视野范围内。

1.3 实验设计

凝视点移动速度共有4个水平：0°/s、8°/s、16°/s和32°/s。每个被试参加所有不同移动速度下的实验，共计4组任务，每组任务由若干次单次视觉搜索任务组成，每组时长约为15 min。

1.4 实验流程

实验在环境照度可调的照明工效实验室中进行，在0.75 m的水平上房间内的平均照度为200 lx。

被试到达后，首先签署知情同意书并进行视力测试。随后主试向被试介绍实验内容，演示实验中软件的使用方法，让被试进行操作训练。在被试均掌握软件操作方法后，正式进入实验环节，分别进行凝视点移动速度为0°/s、8°/s、16°/s、32°/s，共4轮视野测试。在进行测试时，被试凝视并点击软件呈现在显示器屏幕中央的红色凝视点，屏幕则显示出以该凝视点为圆心的第1个图形任务界面，被试需从干扰符号(×)中识别目标符号(O)，第1个图形任务界面呈现300 ms后消失，第2个判断界面进行呈现，被试用鼠标点击目标符号所在位置，单次搜索任务即结束。在每轮搜索任务结束后，中间休息10 min，进行下一轮实验。每轮实验的顺序随机安排，整个测试持续约1.5 h。

2 结果与讨论

2.1 描述性统计分析

视野形状因子2006年由Chan等[15]提出，被用来描述所测得的视野形状趋近于圆形的程度。该值越接近1，视野形状越接近圆形。其计算方法如下

其中，S表示有效视野的面积，L表示有效视野的周长。

不同年龄段人群在不同凝视点移动速度时的有效视野周长、有效视野面积及有效视野形状因子的描述性统计结果见表2。

表2 有效视野特性描述性统计分析Table 2 Descriptive statistical analysis of effective visual field characteristics

不同年龄段被试在不同凝视点移动速度下，沿8个辐射轴方向所测量的视野形状的均值图如图2所示。

由表2和图2可以看出，各年龄组在各个移动速度下的有效视野均呈现为形状不规则的椭圆形，这与Chan等[27]的阐述是一致的。当凝视点速度为0°/s时，即静态视野测试时，3组人群的形状因子均在0.8以上，形状因子较接近圆形。随着凝视点移动速度的增加，除个别参数外，有效视野周长、有效视野面积、形状因子整体呈现出减少的趋势。当移动速度从0°/s增加到32°/s时，青年组、中年组和老年组的有效视野周长分别减少了15%、22%和30%，有效视野面积分别减少了35%、52%和64%，形状因子分别减少了18%、28%和33%。其中老年组减少的最多，青年组减少的相对较少，老年组减少的幅度约为青年组的2倍。从青年组到中年组，有效视野周长、有效视野面积、形状因子递减的幅度分别为7%、17%和10%，从中年组到老年组递减的幅度分别为8%、12%和5%。有效视野面积和形状因子这2个参数，从青年组到中年组递减的幅度均大于从中年组到老年组的递减幅度。说明随着年龄的增加，人的动态视野范围逐渐递减，老年人从周边视野获取的信息量随之大幅减少。

图2 各年龄组不同移动速度下视野形状均值图Figure 2 Mean value of visual field shape at different moving speeds of different age groups

2.2 重复测量方差分析

以年龄组(组间变量)、移动速度(组内变量)为自变量，以有效视野周长值、有效视野面积、有效视野形状因子值为因变量进行重复测量方差分析，结果汇总见表3。其中，F为组间均方与组内均方的比值；df1为自由度；p值为显著性水平。

表3 有效视野重复测量方差分析结果Table 3 Effective field of view repeated measurement ANOVA results

由表3可以看出，年龄组和移动速度的主效应显著，p＜0.01；有效视野周长和形状因子的年龄组与移动速度的交互效应显著，p＜0.01。

由表4可以看出，年龄组显著影响有效视野周长，表现为青年组＞中年组＞老年组。移动速度显著影响有效视野周长，表现为青年组＞中年组＞老年组。年龄组和凝视点移动速度共同影响有效视野周长，表现为青年组0°/s＞青年组8°/s＞中年组8°/s＞青年组16°/s＞中年组0°/s＞老年组0°/s＞老年组8°/s＞青年组32°/s＞中年组16°/s＞老年组16°/s＞中年组32°/s＞老年组32°/s。随着年龄增加和移动速度增加，有效视野周长随之减小。青年组在0°/s时的有效视野周长为540.8 mm，到了老年组的32°/s，有效视野周长减少为331.5 mm。

表4 视野周长均值表Table 4 Average value of visual field perimeter

如表5所示，年龄组显著影响有效视野面积，表现为青年组＞中年组＞老年组。移动速度显著影响有效视野面积，表现为速度为0°/s＞8°/s＞16°/s＞32°/s，0°/s＞8°/s没有显著差异。

表5 视野面积均值表Table 5 Field of view mean table

表6表明，年龄组显著影响有效视野形状因子，表现为青年组＞中年组＞老年组。移动速度显著影响形状因子，表现为速度为0°/s＞16°/s＞32°/s，0°/s和8°/s无显著差异。年龄组和凝视点移动速度共同影响效视野周长，表现为青年组8°/s＞青年组0°/s＞老年组8°/s＞中年组0°/s＞老年组0°/s＞青年组16°/s＞中年组8°/s＞中年组16°/s＞老年组16°/s＞青年组32°/s＞中年组32°/s＞老年组32°/s。随着年龄增加和移动速度增加，有效视野形状因子随之减小。青年组在8°/s时的形状因子为0.839，到了老年组的32°/s，形状因子减少为0.542。

从以上数据可以看出，成年人的动态视野特征随年龄增加而发生显著变化，视野面积、视野周长和形状因子均表现为青年组大于中年组，中年组大于老年组。成年人视野范围受凝视点移动速度影响，视野面积、视野周长和形状因子均表现一致，凝视点在0°/s到8°/s范围内移动对视野范围无显著影响，当移动速度达到16°/s和32°/s时，视野范围显著缩小，且视野形状愈发偏离圆形。

表6 视野形状因子均值表Table 6 Field of view form factor mean table

3 总结

本文测试了不同年龄组人群在不同凝视点移动速度下的动态有效视野特征。研究发现，随着年龄的增加，有效视野周长、有效视野面积和形状因子整体呈下降的趋势，凝视点运动得越快，有效视野周长、面积和形状因子减少的幅度越大，说明随着年龄增加，人的视觉功能发生生理性衰退，动态视野有变窄、变小的趋势。Rantanen等[28]研究了视野面积和视野形状对认知负荷的影响，结果表明随着任务负荷的增加，视野面积、圆度等特性随之下降。Chan等[29]研究了不同难度任务下视野的变化情况，结果表明视野特性与目标搜索任务的难度密切相关。本文的研究中，不同年龄段的人群执行相同的搜索任务，老年人和年轻人相比，其视野面积和视野周长大幅下降，表明对于不同年龄段的人群，其所执行的任务难度程度是不同的，同样的搜索任务对于老年人来说难度会更大，任务负荷会更重。因此，当视觉搜索任务涉及不同年龄段人群时，应充分将各年龄段人群的视野特性纳入考虑。