虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全教育綜述

羅 元 任愛珠

(北京市清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084)

虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全教育綜述

羅 元 任愛珠

(北京市清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084)

本文探討了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在行人交通安全教育領(lǐng)域的意義和適宜性以及相比普通多媒體技術(shù)的優(yōu)勢，并且介紹了國外相關(guān)研究的進(jìn)展情況，總結(jié)了目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在行人交通安全教育領(lǐng)域的缺點(diǎn)，并對這項(xiàng)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢進(jìn)行了展望。

虛擬現(xiàn)實(shí);行人;適用性;沉浸感

1 虛擬現(xiàn)實(shí)在交通安全教育中的意義

我國是一個交通事故頻發(fā)的國家，盡管近年來隨著《中華人民共和國道路交通安全法》的頒布和實(shí)施，國內(nèi)交通事故的發(fā)生已經(jīng)開始呈現(xiàn)逐年下降的趨勢［1］，但不容否認(rèn)的是，交通安全形勢仍然不容樂觀，每年的交通事故死傷人數(shù)和導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失依舊是一個天文數(shù)字。相關(guān)統(tǒng)計表明，這些交通事故中的大多數(shù)都是由于駕駛員缺乏責(zé)任心的魯莽駕駛導(dǎo)致的，但也有為數(shù)不少的交通事故是由于行人不遵守交通規(guī)則、交通安全意識淡薄引起的。交通參與者總是交通事故的最廣大肇事者［2］。于是這也就牽涉到一個交通文化的問題。

所謂交通文化［3］，是指整個國家的交通參與者的交通技能、態(tài)度、交通知識、交通訓(xùn)練等一切的總和。長遠(yuǎn)來看，預(yù)防總是勝過補(bǔ)救，因此好的交通文化對一個人的影響越早，它在未來防范交通安全事故的作用也就越大，也就是說，如果能夠在小學(xué)就開展合適的道路交通安全教育，那么這對孩子們的交通安全意識的提高會大有裨益。但遺憾的是我國目前在這方面所做的工作還很少，在大多數(shù)地區(qū)教育部門和交通部門甚至從來沒有意識到開展道路交通安全教育的重要性，無論是在學(xué)校中還是在社會上。

因此創(chuàng)建一個交通安全教育體系就顯得尤為重要，而這就牽涉到用什么方法創(chuàng)建的問題。多媒體技術(shù)在國外已經(jīng)被證明了是一個交通安全教育的好方法，但是多媒體技術(shù)并不是完美的，它也有諸多自身的問題，比如，不夠生動、不夠真實(shí)等等，這樣的情況下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在交通安全教育領(lǐng)域就有了用武之地。

在了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比于普通多媒體技術(shù)的優(yōu)勢之前，我們應(yīng)該重新審視交通安全教育的含義。大多數(shù)人都把教育理解為對知識的教導(dǎo)傳播，但是至少在交通安全領(lǐng)域，僅僅傳播知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。受教育者不僅需要了解知識(交通規(guī)則等)，更重要的是把這些知識應(yīng)用于實(shí)踐，因此他們還需要學(xué)會應(yīng)用知識的技能。根據(jù)相關(guān)研究，交通安全教育中最主要、最常用的兩個技能是［4］:1)偵測交通現(xiàn)狀;2)協(xié)調(diào)理解現(xiàn)有交通信息(如不同方向、不同車道信息等)。只要能夠掌握這兩項(xiàng)技能，受教育者就能夠安全地進(jìn)行交通行為。從這個方面來看，在交通安全教育中，對技能的教導(dǎo)的重要性更甚于對知識的教導(dǎo)。但是從目前國內(nèi)外普遍使用的交通安全教育方法來看，各國對交通安全教育，尤其是對孩子們的交通安全教育更多的是偏重于教授傳統(tǒng)知識，而沒有很好的意識到技能在交通安全行為中所起到的重要作用。而且即使是教授書上的知識，也只占很少的一部分，老師們更是不鼓勵在實(shí)踐中、真實(shí)環(huán)境下切身體會的學(xué)習(xí)，這樣的教授效果可想而知。

也有一些教育方法是在真實(shí)的交通環(huán)境中進(jìn)行的，比如交通公園法［5］、“虛擬路”法等，這些方法都在一定程度上改善了受教育者的技能水平，它們對真實(shí)的環(huán)境模擬得越好，對受教育者的技能改善也就越大。因此，對真實(shí)環(huán)境的模擬程度，就成為衡量一種交通安全教學(xué)方法的重要標(biāo)準(zhǔn)。

由此可以得出，一種好的交通安全教學(xué)方法，應(yīng)該具有以下的一些基本特征:［6］

1)它應(yīng)該能夠表現(xiàn)出真實(shí)環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，而且要盡量避免對真實(shí)環(huán)境的簡化;

2)它可以讓學(xué)生投入到真實(shí)可信的環(huán)境中學(xué)習(xí);

3)它應(yīng)該能夠讓學(xué)生很好地把學(xué)到的知識和具體的應(yīng)用相結(jié)合;

4)它應(yīng)該鼓勵學(xué)生在具體行動之前充分的思考;

5)它應(yīng)該鼓勵學(xué)生們進(jìn)行相互間的協(xié)作而不是競爭。

人的大腦認(rèn)識世界是通過兩種方式進(jìn)行的:第一人稱方式和第三人稱方式［7］。所謂第一人稱方式就是指人腦從自我的視角出發(fā)，通過直接、個人、主觀、感官的接觸認(rèn)識世界，而沒有太多更深的思考，例如條件反射，就是人腦在接受外界刺激以后不假思索地給出反應(yīng)的指令;而第三人稱方式則要復(fù)雜一些，也要深層一些，它是以旁觀者的視角，通過經(jīng)驗(yàn)、別人的故事、反思等等一系列深層次思考以后間接得出的對世界的認(rèn)識，應(yīng)該說這樣的認(rèn)知方式是人區(qū)別于絕大多數(shù)動物的根本原因，也是人之所以為人的根本原因，這樣的認(rèn)知方式更加復(fù)雜和難于理解。同時，第三人稱認(rèn)知方式帶來的另一個問題就是符號的運(yùn)用，大腦要思考就必須要使用符號，所以第三人稱的認(rèn)知方式總是需要大腦翻譯各種不同的符號，以使自己理解，這樣就難免出現(xiàn)對信息的曲解和遺失，而且理解也會稍微慢一些。

在交通安全教育中，毫無疑問采用第一人稱認(rèn)知方式的教學(xué)是更好的教學(xué)，因?yàn)橛傻谝蝗朔Q認(rèn)知方式得來的對外部世界的理解無需刻意思考，更加直接，更加完整，反應(yīng)也更加迅速;而第三人稱認(rèn)知方式需要受教育者翻譯、理解所教導(dǎo)的含義，再去把這樣的理解應(yīng)用到實(shí)際中，這在瞬息萬變的現(xiàn)實(shí)交通狀況中會帶來潛在的風(fēng)險。這也就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比普通多媒體技術(shù)的最大優(yōu)勢所在:普通多媒體技術(shù)無論如何都只能提供第三人稱的交流方式，它們必須要通過符號才能與受教育者交互，而這就要求受教育者首先要理解每一個符號的含義，加大了交流的難度;虛擬現(xiàn)實(shí)的作用正是盡可能地扔掉這個符號層對人機(jī)交流的過濾，帶給受教育者第一人稱的直觀感受。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)交通安全教育研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于交通安全行人教育的研究才剛剛起步，而國外已經(jīng)有了不少相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，它們都很好地驗(yàn)證了虛擬現(xiàn)實(shí)在交通安全教育中的適用性。［8-10］在 Jodie M.Plumert等人的實(shí)驗(yàn)中［8］，被測試者被安排在不同條件下的真實(shí)環(huán)境中和在由3塊10×8英尺大屏幕270℃環(huán)繞組成的虛擬環(huán)境中分別辨識目標(biāo)點(diǎn)離開自己的距離，結(jié)果表明，人們在大屏幕虛擬環(huán)境里的距離感和真實(shí)環(huán)境中幾乎完全相同，而在數(shù)據(jù)頭盔虛擬環(huán)境里的距離感則與真實(shí)環(huán)境中略有不同:人們在數(shù)據(jù)頭盔里往往會低估他們看到的距離。這樣的差異很有可能是由于數(shù)據(jù)頭盔里的視場與人們在真實(shí)環(huán)境中所習(xí)慣的中心視場不一樣所造成的。在Robert J.Matheis等人的另一個實(shí)驗(yàn)中［9］，不同類型的被測試者被要求學(xué)習(xí)和記住一個辦公室場景，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬環(huán)境下人腦的學(xué)習(xí)和記憶能力不會與真實(shí)環(huán)境中有太大差別，人們在虛擬環(huán)境中完全能夠像平常一樣學(xué)習(xí)新的知識和技能，并把他們應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中去。

在 David C.Schwebel等人的實(shí)驗(yàn)中［11］，年齡從8－16歲不等的兒童在一個三屏幕組成的道路交通虛擬環(huán)境中被配訓(xùn)如何安全的穿過馬路，通過這些兒童對該培訓(xùn)的反饋，可以得知他們幾乎一致地認(rèn)為該虛擬環(huán)境是一個新穎、有效而且逼真的交通安全培訓(xùn)方法。而Gordon Simpson等人的實(shí)驗(yàn)則比較注重對技能的培訓(xùn)［12］。Simpson認(rèn)為，之所以10歲以下兒童的交通事故發(fā)生率遠(yuǎn)高于其他年齡層次的交通參與者，其最主要的原因在于，10歲以下的兒童缺乏綜合處理交通流信息的能力。進(jìn)一步說，過馬路時行人需要考慮的因素包括車速、車間距、行人自身的速度，以及對過馬路的時機(jī)的判斷等，其中最重要的兩點(diǎn)在于對車速和車間距的判斷，我們知道，對于不同速度的車輛，即使他們之間的間距相同，下一輛車開過這段間距的時間也是不同的，因此我們可以用一個“時間車間距”作為車速和車間距的函數(shù)，來表達(dá)這兩個因素之間的相互關(guān)系。時間車間距就是指下一輛車通過當(dāng)前車間距所需要的時間長度，可見這個因素綜合了車速與車間距的影響。而Simpson的實(shí)驗(yàn)的著眼點(diǎn)就在于建立兒童對于時間車間距的判斷，并讓他們把這樣的判斷和他們的個人條件(如自身速度等)以及環(huán)境條件綜合起來，以培養(yǎng)安全穿過馬路的技能。Simpson通過在一個大屏幕虛擬環(huán)境中建立的單車道道路來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，會出現(xiàn)保持車速(可以選擇的速度分別為40、50、60km/h)相同和保持車間距相同(可以選擇的車間距分別為65、75、85m)的兩種車流，兒童們則需要分別多次穿過這樣的車流(順序隨機(jī))。當(dāng)不安全的穿越馬路行為發(fā)生時，屏幕上會顯示出發(fā)生交通意外的動畫，以提醒被測試者該次行為不安全。通過一系列這樣的實(shí)驗(yàn)過后，Simpson得到了一些有益的結(jié)果，其中包括:被測試者的交通事故發(fā)生率與他們的年齡成反比，越年幼的被測試者事故發(fā)生率越高，而同時，女性比男性更容易發(fā)生交通事故。最值得關(guān)注的一點(diǎn)是，所有的被測試者在保持車速相同的實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，都要比在保持車間距相同的實(shí)驗(yàn)中要好，這在一定程度上證明了，大多數(shù)兒童都將車間距作為一個簡要的標(biāo)準(zhǔn)去判斷時間車間距是否足夠，而省略考慮車速對時間的影響。這一現(xiàn)象雖然不能表明兒童缺乏對時間車間距綜合理解和判斷的能力，但至少為今后研究指出了一個方向。

圖1 正在進(jìn)行中的虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)

在另一個實(shí)驗(yàn)中［13］，Melinda Congiu等人更是通過跟蹤觀察接受虛擬環(huán)境培訓(xùn)的兒童的交通安全行為，來評估和檢驗(yàn)虛擬環(huán)境對兒童的交通技能的培訓(xùn)作用。這個實(shí)驗(yàn)的具體方法與Simpson的實(shí)驗(yàn)方法類似，但它的不同之處在于整個實(shí)驗(yàn)中的反復(fù)培訓(xùn)過程:在正式實(shí)驗(yàn)前，首先要對參與實(shí)驗(yàn)的兒童進(jìn)行交通安全行為的跟蹤監(jiān)測，并對他們第一次培訓(xùn)，讓被測試者熟悉和掌握虛擬環(huán)境中過馬路的方法;6～8個月以后正式培訓(xùn)開始，正式培訓(xùn)的第一步是要進(jìn)行討論與教學(xué)，充分啟發(fā)兒童對車輛時間間距的理解，并讓他們估測自己安全過馬路所需要的時間，然后用與之前類似的方法讓兒童在虛擬環(huán)境中進(jìn)行培訓(xùn)，并對自己每次過馬路的安全程度進(jìn)行評價;一周后，實(shí)驗(yàn)人員會對兒童的交通安全行為進(jìn)行第二次跟蹤監(jiān)測，一個月以后進(jìn)行第三次監(jiān)測。監(jiān)測的結(jié)果表明，對兒童在虛擬環(huán)境中培訓(xùn)的效果是非常明顯的:培訓(xùn)后他們明顯減少了交通危險行為，而且可以觀察到，在虛擬環(huán)境中教授給兒童的對時間間距的判斷技巧，能夠有效的轉(zhuǎn)化為在現(xiàn)實(shí)生活中對時間間距的判斷，而且效果持久。

此外，Joan McComas等人則設(shè)計了一個擁有8個交叉路口的桌面虛擬城市［14］，要求參與測試95名來自城市和鄉(xiāng)村地區(qū)(多為移民)的10歲以下兒童從城市的一端走到另一端，并界定了通過交叉路口的4個規(guī)范動作:1)過馬路前要先在馬路沿上等待;2)然后按照左－右－左的順序觀察車流情況;3)再在合適的時機(jī)快速通過人行橫道;4)隨時保持注意力集中，認(rèn)真觀察交通狀況。研究人員通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)來跟蹤觀察兒童們的交通行為并對他們打分，并通過對比兒童們在接受培訓(xùn)之前和接受培訓(xùn)之后的交通行為，借以評估虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)的效果。結(jié)果證明，對于大多數(shù)的兒童來說，虛擬現(xiàn)實(shí)都成功的讓他們掌握了正確的4個交通關(guān)鍵行為，而且對于來自鄉(xiāng)村地區(qū)的移民兒童，這樣的學(xué)習(xí)能夠更好的應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。同時，Gordon Simpson也通過一個帶數(shù)據(jù)頭盔的單車道虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于提高兒童交通能力的作用［15］。得到類似結(jié)果的還有James Thomson［16］。

幾乎所有的實(shí)驗(yàn)都證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于交通安全教育領(lǐng)域的有效性，虛擬現(xiàn)實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)和使用者的人機(jī)交互，它能帶給使用者第一人稱的視野，它的真實(shí)性和沉浸感都讓使用者身臨其境，此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)讓不同的用戶之間進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)，它的界面、風(fēng)格、新鮮感等等都會給使用者帶來學(xué)習(xí)的趣味性，增加使用者學(xué)習(xí)的動力;考慮到虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比其他的交通安全教育方法，例如交通公園、“虛擬路”法等，可操作性更強(qiáng)(不需要組織成年人對兒童進(jìn)行交通引導(dǎo)等)，而且成本更低;這一切充分表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在未來的交通安全教育中必然有著廣闊的發(fā)展前景。

3 前景展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然已有40多年的發(fā)展歷史，但之前由于設(shè)備的限制，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大規(guī)模付諸應(yīng)用還是最近10年的事?？梢哉f，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還是一門新興的技術(shù)，在擁有廣闊發(fā)展前景的同時，也存在很多未被發(fā)現(xiàn)或克服的困難。

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開始逐漸被大規(guī)模應(yīng)用于醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬、駕駛模擬等方面，在這些方面虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成績，但在行人交通安全模擬教育方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用還處于嘗試階段:國外現(xiàn)有研究都只是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種可以考慮的方法，應(yīng)用于行人交通安全教育，進(jìn)行了一些試驗(yàn);而國內(nèi)則根本還沒有這方面的研究。雖然國外的類似試驗(yàn)已經(jīng)取得了不少的成果，也基本證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在行人交通安全教育培訓(xùn)方面的適用性，但畢竟還有很多地方?jīng)]有探索到，很多問題也沒有解決，比如，受限于現(xiàn)階段的軟硬件條件，大多數(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感都不足，尤其是由數(shù)據(jù)頭盔設(shè)備構(gòu)建的虛擬環(huán)境，由于數(shù)據(jù)頭盔本身的重量、它的導(dǎo)線以及它有夾角的視場等的影響，使用者的沉浸感也會受到影響，進(jìn)一步地，這些因素會影響使用者對交通狀況的判斷從而得出錯誤的結(jié)論，影響培訓(xùn)的效果。而大屏幕虛擬環(huán)境雖然在這些方面勝過數(shù)據(jù)頭盔，沉浸感也明顯強(qiáng)于數(shù)據(jù)頭盔虛擬環(huán)境，但由于資金的限制，實(shí)驗(yàn)室往往只能配備1－3個大屏幕和數(shù)臺處理器，無法達(dá)到完全沉浸感的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能與目前最先進(jìn)的美國軍方投資500萬美元興建的C6虛擬環(huán)境相比。此外，目前的虛擬環(huán)境中大都缺少真實(shí)交通環(huán)境中的干擾因素，如人群、天氣、光線、聲音等等，這也限制了虛擬環(huán)境的真實(shí)性，但如果增加這些干擾因素與使用者的人機(jī)互動，又會大大增加虛擬環(huán)境構(gòu)建的困難程度和成本。最后，由于使用者知道虛擬環(huán)境中并不存在真正的危險，因此他們會在交通環(huán)境中采取更冒險、激進(jìn)的行為，這一點(diǎn)與實(shí)際狀況不符合，當(dāng)然，這也幫助實(shí)驗(yàn)者更多的了解參與者容易犯的一些錯誤。

為了改進(jìn)上述的虛擬環(huán)境中的不足，更多技術(shù)的應(yīng)用和研究是必要的，比如近年來，LOD和粒子系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于虛擬環(huán)境的模擬，但這些還不夠，要實(shí)現(xiàn)成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全教育，還需要人們從各個方面去研究和開發(fā)，完善虛擬環(huán)境的真實(shí)感，加強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互能力。隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的增加和計算機(jī)軟硬件水平的增長，虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全教育的價值會越發(fā)的凸顯，也會有越來越多的計算機(jī)工作者投身到這個領(lǐng)域中來，而虛擬現(xiàn)實(shí)行人交通安全教育的大規(guī)模應(yīng)用也不再遙遠(yuǎn)。

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Summarization of Virtual Reality in Pedestrian Traffic Safety Education

Luo Yuan，Ren Aizhu

(Institute of Risk Prevention＆ Reduction in Tsinghua University，Beijing100084，China)

This paper discussed the significance and appropriation for Virtual Reality applying in traffic safety education for pedestrian and compared VR with multimedia technique.Then relevant researches all over the world were introduced and some disadvantages of VR now using in pedestrian traffic safety education were concluded.At the end the future trend of VR in this area is prospected.

Virtual Reality;Pedestrian;Appropriation;Immersion

TP391.9;X925

A

1674－7461(2011)01－0097－05

羅元，男，博士。E-mail:lyethu@gmail.com