虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在空間認(rèn)知心理學(xué)研究中的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

王　雯　王國強(qiáng)

【摘 要】 進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著應(yīng)用心理學(xué)領(lǐng)域在人類生活各個(gè)領(lǐng)域的廣泛涉獵新的研究主題。很多有趣的空間認(rèn)知心理學(xué)實(shí)驗(yàn)都是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行的。2006年美國科學(xué)家Ann E.Schlosser就證明使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以增強(qiáng)人們的記憶。

隨著我國研究空間認(rèn)知心理學(xué)的學(xué)者逐漸增多，一個(gè)個(gè)新成果催進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域在中國的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實(shí)；認(rèn)知科學(xué)；空間認(rèn)知オ

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality），簡(jiǎn)稱VR，還有人翻譯為“靈境”、“幻真”，是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱為“靈境技術(shù)”或“人工環(huán)境”。從上個(gè)世紀(jì)80年代開始，美國科學(xué)家Jaron Lanier將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)，組創(chuàng)了美國 VPL公司，實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)的商業(yè)化運(yùn)作。虛擬現(xiàn)實(shí)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，提供給使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，如同進(jìn)入真實(shí)的空間。虛擬現(xiàn)實(shí)中的“現(xiàn)實(shí)”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實(shí)際上可實(shí)現(xiàn)的，也可以是實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)的或根本無法實(shí)現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計(jì)算機(jī)生成的意思。VR綜合集成技術(shù)，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人機(jī)交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，使人作為參與者通過適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用。使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，電腦可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場(chǎng)感。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用正在給人類的生活帶來全新的意義。［1］近年來，隨著國外虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也正漸漸滲透到軍事、教育、科學(xué)研究、制造業(yè)、建筑設(shè)計(jì)、游戲娛樂等眾多領(lǐng)域［2］［3］。尤其在科學(xué)研究領(lǐng)域中，桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)十分廣泛，主要集中于醫(yī)學(xué)、地球科學(xué)、心理學(xué)、航空航天、軍事學(xué)等學(xué)科［4］［5］。

一、國外VR技術(shù)在空間認(rèn)知心理學(xué)中的發(fā)展

20世紀(jì)90年代后，由于計(jì)算機(jī)模擬虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)在眾多科學(xué)研究領(lǐng)域做出了突出的貢獻(xiàn)，心理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它同樣可以成為空間認(rèn)知心理學(xué)研究的有力工具。隨后，這項(xiàng)技術(shù)首先運(yùn)用于空間視知覺研究中。早在上個(gè)世紀(jì)六七十年代，美國心理學(xué)家Helen和Hein曾經(jīng)做過一個(gè)關(guān)于深度知覺的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容如下：兩組小貓被關(guān)在黑暗中喂養(yǎng)，在它們面前是相同的視覺圖形，其中一組小貓可以自由行動(dòng)，另一組則無法行動(dòng)，數(shù)周后，可以自由行動(dòng)的那組小貓一切正常，而另一組小貓則不斷撞在其它物體上，好像根本看不見周圍的擺設(shè)。他們證明沒有肢體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的存在，就沒有所謂的知覺。風(fēng)靡一時(shí)的行為實(shí)驗(yàn)所得的觀點(diǎn)在新技術(shù)的論證下很快被顛覆。1991年美國心理學(xué)家Warrila使用VR技術(shù)重復(fù)了這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)后總結(jié)道：“物體不是通過特征的視覺提取而是通過動(dòng)作的視覺導(dǎo)向被感知的”［6］，如果Helen和Hein擁有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這個(gè)工具的話，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論會(huì)是截然相反的。[JP]

心理學(xué)家Riecke等人使用虛擬現(xiàn)實(shí)的方法研究表明，虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感可以在真實(shí)的移動(dòng)與虛擬的移動(dòng)之間建立直接的聯(lián)系，使被試產(chǎn)生如同真實(shí)場(chǎng)景下行走的感受，所以他認(rèn)為人類可以只依賴視覺信息，就可以完成移動(dòng)、心理旋轉(zhuǎn)、三角定位等空間任務(wù)。1993年Beer的研究表明，在視覺刺激自動(dòng)化時(shí)，被試可以利用視覺流（Optical Flow）的改變來更新場(chǎng)景。視覺空間關(guān)系加工不僅與大腦的特異性有關(guān)，而且還涉及了視覺的再認(rèn)知、空間定向、定位、軌跡追蹤以及表象轉(zhuǎn)換等高級(jí)空間認(rèn)知加工過程［7］，所以人們需要對(duì)視覺信息對(duì)物體之間的空間關(guān)系不斷地進(jìn)行加工。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著應(yīng)用心理學(xué)領(lǐng)域在人類生活各個(gè)領(lǐng)域的廣泛涉獵新的研究主題。很多有趣的空間認(rèn)知心理學(xué)實(shí)驗(yàn)都是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行的。2006年美國科學(xué)家Ann E.Schlosser就證明使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以增強(qiáng)人們的記憶。這位學(xué)者使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和普通語言文字介紹一種新型照相機(jī)的使用方法，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展示下，人們能夠更好更快的使用這種新照相機(jī)。類似的實(shí)驗(yàn)在近期的《科學(xué)日志》雜志上層出不窮，幾乎每天都會(huì)刊登新的研究來豐富或更新對(duì)于人類空間認(rèn)知心理問題的認(rèn)識(shí)

二、國內(nèi)空間認(rèn)知心理學(xué)研究中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的狀況

國內(nèi)空間認(rèn)知心理學(xué)研究較多集中于平面環(huán)境或語言想象環(huán)境下，而較少涉及使用虛擬現(xiàn)實(shí)手段實(shí)現(xiàn)三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境。隨著我國研究空間認(rèn)知心理學(xué)的學(xué)者逐漸增多，一個(gè)個(gè)新成果催進(jìn)了這個(gè)領(lǐng)域在中國的發(fā)展。中科院心理所牟煒民教授率先引進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)證明了在空間巡航時(shí)使用的空間表征以環(huán)境中心參照為主［8］。牟教授設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是讓觀察者首先記憶由若干物體構(gòu)成的一個(gè)場(chǎng)景中各物體的空間位置，然后戴上眼罩完成迷向前和迷向后兩種條件下的物體指向任務(wù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)觀察者從場(chǎng)景外學(xué)習(xí)一個(gè)有明顯內(nèi)在參照系結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景時(shí)，被試在迷向后物體指向的一致性與更新后物體的指向一致性相當(dāng)；而當(dāng)觀察者從場(chǎng)景內(nèi)學(xué)習(xí)一個(gè)沒有明顯內(nèi)在參照系結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景時(shí)，被試在迷向后物體指向的一致性要差于更新后物體的指向一致性。無論場(chǎng)景結(jié)構(gòu)良好與否，迷向后的指向的一致性遠(yuǎn)高于隨機(jī)水平。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空間表征中存在著環(huán)境中心參照系和自我中心參照系兩種表征；空間巡航主要依賴環(huán)境中心參照系，當(dāng)不能形成良好的環(huán)境中心參照系表征時(shí)，被試可能使用自我中心參照系表征。

三、認(rèn)知研究使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要注意的問題

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)這三類技術(shù)采用第一人稱視角的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，畫面運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)是被試的眼睛，被試視線的移動(dòng)與畫面中未出現(xiàn)的主角保持一致，這種空間上的連貫性使兩者在行動(dòng)上較容易產(chǎn)生認(rèn)同；相比較在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)第三人稱視角的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，Andy Cockburn 和 Bruce McKenzie認(rèn)為這種環(huán)境嚴(yán)格而言并非虛擬現(xiàn)實(shí)的三維環(huán)境，而是二維半環(huán)境［6］。畫面以所操控角色為中心，盡管其視野較第一人稱開闊，令被試可以更方便地對(duì)周圍的環(huán)境做出判斷，但視角的不一致很容易導(dǎo)致外部角色與內(nèi)部角色的分離，從而影響虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)性，被試會(huì)感覺自己是在操縱一個(gè)木偶，這個(gè)木偶存在于環(huán)境中（in game）但并不屬于環(huán)境（of game）。要解決這一問題，必須借助良好的輸入系統(tǒng)將外部角色的行動(dòng)與內(nèi)部角色的行動(dòng)作自然合理的映射。當(dāng)我們下意識(shí)地認(rèn)為“我在轉(zhuǎn)彎”、“我在撿起地上的東西”的時(shí)候，操控的感覺實(shí)際上已不復(fù)存在，輸入系統(tǒng)已成為我們身體的一部分或者說一種延伸，將此時(shí)外部角色的行動(dòng)與內(nèi)部角色的行動(dòng)融為一體。

在定向與行走的實(shí)驗(yàn)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行一般的行走實(shí)驗(yàn)更有利于實(shí)驗(yàn)［7］。人們對(duì)于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)工具對(duì)于實(shí)驗(yàn)有效性的方法是重復(fù)已經(jīng)在自然環(huán)境中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最重要的是，實(shí)驗(yàn)條件需要很好界定，而且好控制，能夠準(zhǔn)確的重復(fù)實(shí)驗(yàn)［9］。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)交互功能支持更接近行走知覺的、可循環(huán)的空間認(rèn)知的本質(zhì)研究。Plumert和 Kearney做了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究表明，這種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠使人們獲得更好的距離知覺［9］。

使用沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這些技術(shù)進(jìn)行空間認(rèn)知研究使得人們對(duì)于知覺條件限定在一個(gè)更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，而且不涉及身體的本體感應(yīng)，前庭覺對(duì)知覺的影響。

四、需要解決的技術(shù)問題

1、體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，比如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點(diǎn)：過重（1.5 kg至2kg）、分辨率低（圖像質(zhì)量差）、延遲大（刷新頻率低）、行動(dòng)不便（有線）、跟蹤精度低、視場(chǎng)不夠?qū)挕⒀劬θ菀灼诘?，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。同樣，數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服等都有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點(diǎn)，在進(jìn)行認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究過程中，會(huì)遇到阻力。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與多種生理監(jiān)測(cè)儀器的共同使用，已經(jīng)成為國際上流行的工具，但在我國相關(guān)的研究還處于相對(duì)落后的地位。

2、用系統(tǒng)開發(fā)工具

心理學(xué)領(lǐng)域運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵是選擇合適的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，以及如何進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)。而現(xiàn)階段從未有任何統(tǒng)一的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)工具問世，這就降低了認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和精確性。我國空間認(rèn)知心理學(xué)研究的現(xiàn)狀是：少有計(jì)算機(jī)界學(xué)者與認(rèn)知心理學(xué)學(xué)者共同進(jìn)行跨學(xué)科的科學(xué)研究。

3、統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標(biāo)定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識(shí)別與合成技術(shù)等等。必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)的開發(fā)工具并配合相應(yīng)腦成像技術(shù)，例如VR系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與fMRI（功能核磁共振技術(shù)）的聯(lián)合使用。這些是我國空間認(rèn)知心理學(xué)家們聯(lián)合計(jì)算機(jī)軟件人員亟待解決的技術(shù)問題。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 承繼成，李琦等.數(shù)字城市-理論方法和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社.2003．

［2］ 許百華，趙業(yè).虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在心理治療中的應(yīng)用［J］.心理科學(xué)，2005，（3）：654-655．

［3］ 杜軍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用［J］．山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，（2）：1O3-104．

［4］ 劉凱，毋河海，胡潔.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景展望［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.（4）．

［5］ 高俊，游雄.虛擬現(xiàn)實(shí)及其在軍事測(cè)繪與作訓(xùn)模擬中的應(yīng)用［J］．解放軍測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào).1996.（2）．

［6］ Andy Cockburn，Bruce McKenzie，Evaluating the Effectiveness of Spatial Memory in 2D and 3D Physical and Virtual Environments，CHI［J］，2002．

［7］ P Péruch，F(xiàn) Gaunet.Virtual Environments As A Promising Tool For Investigating Human Spatial Cognition［J］.Current Psychology of Cognition.1998.（5）．

［8］ Mou，W，Zhao，M，& McNamara，T.P..Layout geometry and viewing perspectives in the selection of intrinsic frames of reference..Journal of Experimental Psychology：Learning，Memory，and Cognition［J］，2006，32：1274-1290．

［9］ Jan B.F.Van Erp，Hendrik A.H.C.，Vibrotactile In-Vehicle Navigation System，Transportation Research Part F：Traffic Psychology and Behavior［J］，2004，（7）．

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王 雯（1981-），女，陜西西安人，西安文理學(xué)院教育系教師．

王國強(qiáng)（1979-），男，陜西府谷人，西安文理學(xué)院教育系教師，碩士研究生．