不連續(xù)虛擬現(xiàn)實(shí)空間中的再定向*

周 希 宛小昂 杜頔康 熊異雷 黃蔚欣

(1清華大學(xué)心理學(xué)系; 2清華大學(xué)建筑學(xué)院, 北京 100084) (3香港中文大學(xué)工程學(xué)院, 香港 999077)

1 問題提出

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, 簡(jiǎn)稱VR)是通過計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)生成的與真實(shí)環(huán)境相似的數(shù)字化環(huán)境, 通過交互設(shè)備來進(jìn)行信息傳遞。自從Sutherland(1965)提出集合多種傳輸設(shè)備并傳遞多種信息的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之后, 今天的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)可以通過頭盔式顯示器來呈現(xiàn)視覺信息, 通過耳機(jī)來呈現(xiàn)聽覺信息, 通過數(shù)據(jù)手套來呈現(xiàn)觸覺信息, 以及通過佩戴項(xiàng)圈或者鼻甲來呈現(xiàn)嗅覺信息等(Bailenson et al., 2008)。按照虛擬環(huán)境的功能特點(diǎn), 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以分為桌面式、沉浸式、分布式等多種類型(陶維東等, 2006)。虛擬世界與真實(shí)世界之間, 既有明顯的關(guān)聯(lián), 也存在重要的區(qū)別。Blascovich和Bailenson (2011)提出, 從真實(shí)到虛擬是一個(gè)連續(xù)體,他們把世界分為基本現(xiàn)實(shí)(grounded reality)和虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality), 其中基本現(xiàn)實(shí)是指自然世界或物理世界客觀存在的事物, 而虛擬現(xiàn)實(shí)就是指如夢(mèng)境、文學(xué)、動(dòng)畫、電影等虛擬的內(nèi)容。近年來, 隨著技術(shù)的發(fā)展, 虛擬現(xiàn)實(shí)在心理學(xué)研究、外科醫(yī)生新手訓(xùn)練等領(lǐng)域已有應(yīng)用(Blascovich et al., 2002;Schlickum, Hedman, Enochsson, Kjellin, & Fell?nder-Tsai, 2009), 這也與其可模仿真實(shí)世界這一特性密切相關(guān)。

我們認(rèn)為虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間之間的重要區(qū)別之一是虛擬空間可具有一種“不連續(xù)性”。在真實(shí)空間中, 空間單體由交通聯(lián)系空間進(jìn)行連接, 使其成為一個(gè)建筑整體。而本文所討論的不連續(xù)虛擬空間, 則是通過技術(shù)手段去除建筑內(nèi)部的交通聯(lián)系空間, 如走廊、樓梯燈連接型建筑單元, 可直接從一個(gè)建筑空間到達(dá)另一個(gè)建筑空間。如在一棟虛擬的建筑中, 使用者可不經(jīng)由走廊、樓梯直接從一個(gè)房間到達(dá)另一個(gè)或房間。這種不連續(xù)性在物理現(xiàn)實(shí)中是不存在的, 也是很難或不能實(shí)現(xiàn)的。換言之, 虛擬空間中通過場(chǎng)景之間的切換讓使用者感受到空間位置的直接改變, 而且這種改變不需要如真實(shí)生活中一樣的過渡和銜接。盡管這種不連續(xù)性在技術(shù)層面上是不難實(shí)現(xiàn)的, 但是對(duì)人們的影響卻是未知的。在物理世界中, 人的空間認(rèn)知和行為, 在很大程度上依賴于空間的連續(xù)性和穩(wěn)定性。如果這種連續(xù)性不存在了, 對(duì)人的空間認(rèn)知和行為有怎樣的影響, 是非常重要的研究課題。如果人不能夠適應(yīng)不連續(xù)的虛擬空間, 則意味著使用虛擬環(huán)境時(shí)需要提供連接型建筑單元。

當(dāng)人在對(duì)空間進(jìn)行認(rèn)知時(shí), 空間更新(Spatial Updating)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。具體來說, 空間更新是指人在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)空間線索來不斷更新自己與環(huán)境間的空間關(guān)系的過程。根據(jù)空間更新中使用的線索類型, 可將空間更新分為以直接感覺信息和路標(biāo)為線索的巡航(piloting)和以運(yùn)動(dòng)的速度、加速度等自身運(yùn)動(dòng)信息為參照的路徑整合(path integration) (Wan, Wang, & Crowell, 2010)。由此我們進(jìn)行了大膽的設(shè)想——如果虛擬世界中人們失去一部分自身運(yùn)動(dòng)信息, 人們對(duì)空間的認(rèn)知會(huì)受到多大的影響？由此我們鎖定了以虛擬空間的“不連續(xù)性” (uncontinuity)作為研究對(duì)象。

在本研究中, 我們使用再定向(reorientation)任務(wù)來測(cè)量人對(duì)不連續(xù)空間的適應(yīng)性?？臻g再定向的研究始于研究者對(duì)動(dòng)物的空間再定向能力的研究,常用范式是再定向找物, 即在一定的空間環(huán)境條件下, 讓已經(jīng)迷失方向的動(dòng)物或人根據(jù)空間中的幾何或非幾何信息來重新確定自己所在的方向, 并找出目標(biāo)物的位置。Cheng (1986)發(fā)現(xiàn), 大鼠是依據(jù)長(zhǎng)方形籠子的幾何形狀線索來尋找食物, 即大鼠根據(jù)房間相鄰兩墻面的長(zhǎng)度差異大小判斷房間形狀并進(jìn)行定位, 而非采用環(huán)境中明顯的路標(biāo)來確定食物所在的方向和位置。但是, 恒河猴和北美白眉山雀能夠利用非幾何信息進(jìn)行再定向(Gouteux, Thinus-Blanc, & Vauclair, 2001; Gray, Bloomfield, Ferrey,Spetch, & Sturdy, 2005)。

關(guān)于人類的空間再定向研究則主要關(guān)注兒童。Hermer和Spelke (1994, 1996)的研究表明, 當(dāng)幾何信息和非幾何信息同時(shí)呈現(xiàn)時(shí), 兒童只利用幾何信息來進(jìn)行再定向。但是如果提高路標(biāo)的視覺吸引力,例如以面積大、難移動(dòng)、吸引兒童的動(dòng)物掛毯作為路標(biāo), 或是環(huán)境的幾何信息不能有效地幫助兒童再定向時(shí), 兒童也能使用路標(biāo)完成再定向(Huttenlocher& Lourenco, 2007; 李富洪, 曹碧華, 謝超香, 孫弘進(jìn),李紅, 2011; Newcombe, Ratliff, Shallcross, & Twyman,2010)。如果讓兒童在環(huán)境信息比實(shí)驗(yàn)室更豐富的環(huán)境下完成再定向任務(wù), 他們的正確率會(huì)高于隨機(jī)水平, 說明他們能夠利用周圍的路標(biāo)信息來進(jìn)行再定向(Smith et al., 2008)。成人也對(duì)幾何信息較為依賴, 能充分利用幾何信息進(jìn)行再定向(Gouteux &Spelke, 2001; Gouteux, Vauclair, & Thinus-Blanc,2001)。

值得注意的是, 當(dāng)人置身于連續(xù)的真實(shí)空間中時(shí), 研究者往往讓被試蒙住眼睛后旋轉(zhuǎn)身體(Hermer& Spelke, 1994)、或移動(dòng)位置(Ratliff & Newcombe,2008), 從而令他們暫時(shí)失去方向感(disoriented),然后在這種情況下進(jìn)行再定向。而在不連續(xù)的虛擬空間中, 場(chǎng)景之間沒有任何過渡的切換也可能令人暫時(shí)失去方向感。在這種情況下, 人如何進(jìn)行再定向則是未知的。本研究將對(duì)此進(jìn)行探索, 并具體回答以下三個(gè)問題：(1)人在不連續(xù)的虛擬空間中是否能夠進(jìn)行再定向？(2)虛擬房間的幾何信息對(duì)其再定向表現(xiàn)是否會(huì)產(chǎn)生影響？(3)虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型對(duì)其再定向表現(xiàn)是否會(huì)產(chǎn)生影響？其中, 由于本研究是對(duì)人在不連續(xù)的虛擬空間中的再定向進(jìn)行探究, 因此必須先判斷人是否能夠在這一特殊空間中完成再定向任務(wù)。若能進(jìn)行再定向, 根據(jù)前人研究,人在真實(shí)空間中的再定向可能受到幾何信息和路標(biāo)信息的影響, 本研究亦將探究人在不連續(xù)的虛擬空間中的再定向是否受到幾何信息的影響。同時(shí),因?yàn)樘摂M空間與真實(shí)空間不同, 需要依賴技術(shù)實(shí)現(xiàn),因此不同技術(shù)對(duì)再定向行為的影響也是本研究關(guān)注的問題所在。

在本研究中, 我們主要關(guān)注頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)與桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)之間的比較。這兩種虛擬現(xiàn)實(shí)之間存在很多重要差別。例如, 在不同的頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下, 被試的視覺搜索成績(jī)會(huì)有所差異(Pausch, Proffitt, & Williams, 1997), 而在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中并未發(fā)現(xiàn)類似差異(Robertson,Czerwinski, & van Dantzich, 1997)。此外, 被試在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中進(jìn)行巡航的速度有差異(Santos et al., 2009)。由此, 頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)存在較為明顯的差別, 但是在不同情況下所造成的影響并不一致。從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引起的一些行為反應(yīng)來看,頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)引起的暈眩反應(yīng)更加強(qiáng)烈(Sharples, Cobb, Moody, &Wilson, 2008)。

對(duì)于再定向任務(wù)而言, 這兩種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)之間的兩個(gè)重要差別是非常關(guān)鍵的。一是人是否可以移動(dòng)。在現(xiàn)實(shí)生活中, 人們可以通過自身與周圍環(huán)境之間的相對(duì)關(guān)系來進(jìn)行定位, 人是可以移動(dòng)而變化位置的, 但是周圍環(huán)境往往是穩(wěn)定不變的。但是,在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)中, 人是端坐在計(jì)算機(jī)前保持不動(dòng)的, 而虛擬場(chǎng)景隨著人對(duì)虛擬世界的探索而不斷變化, 這與人在真實(shí)世界中的空間體驗(yàn)正好相反。相比之下, 頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)允許人的身體移動(dòng), 比桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)更接近現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn), 但是隨著自身方位的變化人僅僅是從頭盔中很小的視野中才能看到虛擬環(huán)境。二是虛擬環(huán)境與人的位置關(guān)系是否相對(duì)穩(wěn)定。Mou等人(2004)提出, 虛擬物體有兩種運(yùn)動(dòng)方式, 一種是相對(duì)于周圍環(huán)境的位置穩(wěn)定的物體, 另一種是相對(duì)于人的位置穩(wěn)定的物體。虛擬現(xiàn)實(shí)中, 桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中呈現(xiàn)的虛擬環(huán)境的改變并非由于人的運(yùn)動(dòng)而引起的, 而頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中所呈現(xiàn)的虛擬環(huán)境的改變與人的運(yùn)動(dòng)(包括旋轉(zhuǎn)、行走等)緊密相連。本研究也將探索這兩類不連續(xù)的虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)人的空間再定向的影響。

本研究的結(jié)果有助于完善關(guān)于人類的空間再定向能力的相關(guān)研究, 從虛擬空間的角度向人類空間認(rèn)知能力提出了疑問, 將人類空間認(rèn)知研究從真實(shí)空間延展到了虛擬空間, 豐富了該領(lǐng)域的多樣性。更重要的是, 本文立足于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及虛擬環(huán)境的快速發(fā)展, 打破了虛擬現(xiàn)實(shí)模仿現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)狀,以純粹的虛擬空間為研究對(duì)象, 其“不連續(xù)性”突破了真實(shí)空間的物理性質(zhì), 為虛擬空間作為真實(shí)空間的延展提供了理論依據(jù), 為虛擬空間的多樣化發(fā)展提供了可能。

2 方法

2.1 被試

中國(guó)大學(xué)生80名(其中女性40人)參與了本實(shí)驗(yàn), 年齡在18歲至27歲之間, 平均年齡為20.91 ±1.83歲, 裸眼或矯正視力正常, 無色盲或色弱。在本研究中共4組被試, 每組被試由20名大學(xué)生組成,其中每組被試中女性均為10人。所有被試完成實(shí)驗(yàn)后將獲得40元人民幣或價(jià)值40分鐘的課程實(shí)驗(yàn)學(xué)分作為參與實(shí)驗(yàn)的報(bào)酬。

2.2 儀器和材料

本實(shí)驗(yàn)采用nVisor SX60頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備,屏幕刷新頻率為60 Hz, 頭盔內(nèi)單眼視野為44°(水平) × 35°(豎直), 被試通過旋轉(zhuǎn)身體直接調(diào)整其在虛擬空間中的朝向。實(shí)驗(yàn)過程中, 被試使用羅技F710無線游戲手柄上的LT按鍵和RT按鍵作為反應(yīng)鍵, 分別用于選中物體和進(jìn)入下一輪實(shí)驗(yàn)。使用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行虛擬環(huán)境的呈現(xiàn), 顯示設(shè)備為Samsung 17英寸顯示屏, 屏幕分辨率為1024×768, 屏幕刷新頻率為60 Hz。實(shí)驗(yàn)過程中, 被試需使用鍵盤的D鍵、K鍵和空格鍵作為反應(yīng)鍵,分別用于左右調(diào)整虛擬環(huán)境界面方向(D鍵為向左,K鍵為向右)、選中物體和進(jìn)入下一輪實(shí)驗(yàn)(均為空格鍵)。實(shí)驗(yàn)程序控制和數(shù)據(jù)記錄通過Worldviz公司的Vizard軟件完成, 虛擬場(chǎng)景通過Google SketchUp和3D Max軟件建立。問卷部分也在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行,使用www.unipark.de網(wǎng)站進(jìn)行問卷編排及數(shù)據(jù)記錄, 計(jì)算機(jī)顯示器為Samsumg 17英寸顯示器。

本研究采用的虛擬場(chǎng)景為無門無窗的封閉式房間, 所有房間均高2.2 m。房間按照幾何形狀分為長(zhǎng)方形(4 m × 3 m)和正方形(3 m × 3 m)兩種。房間墻面為白色, 天花板由邊長(zhǎng)為50 cm的正方形白色瓷磚鋪成, 地面由邊長(zhǎng)為60 cm的正方形米色瓷磚鋪成。如圖1所示, 每個(gè)房間的4個(gè)墻角上均有一張30 cm (長(zhǎng)) × 30 cm (寬) × 103 cm (高)的展臺(tái), 每張展臺(tái)上放置一個(gè)打開后16 cm (長(zhǎng)) × 13 cm (寬) ×14 cm (高)的金屬盒子, 即每個(gè)房間內(nèi)有4個(gè)盒子,其中3個(gè)盒子內(nèi)部為銀色, 一個(gè)盒子的內(nèi)部為金色。房間中的一面墻上共懸掛4張水果圖片, 包括1張40 cm × 40 cm的水果圖片, 位于墻面豎直中線上且其底端離地150 cm; 以及3張20 cm × 20 cm的水果圖片, 其底端距離地面119 cm。水果圖片中可能呈現(xiàn)的水果共有8種, 包括蘋果、梨、香蕉、楊桃、葡萄、獼猴桃、橙子、草莓。當(dāng)被試到達(dá)最后一個(gè)房間時(shí), 房間內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)水果, 水果是懸掛在寶盒上方的立體模型。在被試的視野中, 下方中央處有一根指示棒, 用于協(xié)助被試指向物體進(jìn)行選擇。

3.ET-1抗體在家兔頸內(nèi)動(dòng)脈及基底動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)：見圖2。HBO腦缺血組ET-1抗體在頸內(nèi)動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞呈重度表達(dá)，在腦缺血組及假手術(shù)組表達(dá)呈輕到中度表達(dá)(圖2A、B、C1)；HBO腦缺血組ET-1抗體在基底動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)，抗體染色相對(duì)較淺(圖2C2)。見圖2。

本實(shí)驗(yàn)使用基于圣巴巴拉方向感問卷(Hegarty,Richardson, Montello, Lovelace, & Subbiah, 2002)編制的問卷對(duì)被試進(jìn)行測(cè)量, 并加入了三個(gè)問題：“你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中各個(gè)房間之間的連續(xù)程度？(1表示非常不連續(xù), 7表示非常連續(xù))”, “請(qǐng)?jiān)u價(jià)房間的形狀對(duì)你回憶寶盒位置的幫助程度。(1表示完全沒有任何幫助, 7表示非常有幫助)”, “請(qǐng)?jiān)u價(jià)墻上的水果圖片對(duì)你回憶寶盒位置的幫助程度。(1表示完全沒有任何幫助, 7表示非常有幫助)”。被試需根據(jù)問題報(bào)告自己的空間認(rèn)知能力、空間認(rèn)知傾向以及對(duì)不連續(xù)空間的感受。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程

在本研究中, 采用2(房間形狀：正方形/長(zhǎng)方形)×2(虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)類別：頭盔式或桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng))的組間設(shè)計(jì), 即這兩個(gè)變量均為組間變量。

圖1 長(zhǎng)方形(左)和正方形房間(右)俯視圖

圖2 本研究的虛擬場(chǎng)景示意圖

實(shí)驗(yàn)任務(wù)是空間再定向, 實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。每個(gè)試次開始時(shí), 被試位于第一個(gè)房間的中間,并可旋轉(zhuǎn)身體, 查看房間內(nèi)是否有水果實(shí)體, 并記住房間中內(nèi)為金色的盒子的位置。如圖2(a)所示, 此時(shí)房間內(nèi)四角擺放的盒子是打開的, 使被試可以看到盒子內(nèi)是金色還是銀色的。水果墻上方的大幅水果圖片是此房間的標(biāo)志, 例如圖2(b)顯示的是蘋果, 則表示本房間是“蘋果房間”。如果房間內(nèi)沒有水果實(shí)體, 則被試需要面向圖2(b)中所示的水果墻,并從墻上的三幅水果小圖片(如圖2中顯示的獼猴桃、洋桃、葡萄)之間選擇一幅來進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的房間, 并繼續(xù)尋找水果實(shí)體。如此循環(huán)反復(fù)直到找到水果實(shí)體為止。如圖2(c)所示, 當(dāng)被試找到水果實(shí)體時(shí)則按鍵, 被試會(huì)回到對(duì)應(yīng)的房間, 例如找到蘋果會(huì)回到蘋果房間。此時(shí)該房間所有盒子是關(guān)閉的,被試需要回憶該房間中內(nèi)部為金色的盒子的位置,并旋轉(zhuǎn)身體朝向那個(gè)盒子。被試選擇的盒子會(huì)打開(金色或銀色), 如果是金色則說明被試反應(yīng)正確,如果是銀色則說明被試反應(yīng)錯(cuò)誤。

在實(shí)驗(yàn)一開始, 被試將進(jìn)行3至6個(gè)試次的練習(xí), 確保正確理解實(shí)驗(yàn)任務(wù)后再進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)中, 每位被試完成24個(gè)試次。一個(gè)試次內(nèi),被試不會(huì)重復(fù)進(jìn)同一個(gè)房間尋找水果。且試次間房間的連接關(guān)系是隨機(jī)的, 即前一個(gè)試次和后一個(gè)試次的同一水果房間可通達(dá)的其他三個(gè)水果房間可能不同。實(shí)驗(yàn)過程中將記錄被試從回到對(duì)應(yīng)房間到回憶起金色盒子的時(shí)間及正確率。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)部分結(jié)束后, 被試需要在電腦上完成一份基于圣巴巴拉方向感問卷(Hegarty et al., 2002)編制的問卷, 被試需根據(jù)問題報(bào)告自己的空間認(rèn)知能力、空間認(rèn)知傾向以及對(duì)不連續(xù)空間的感受。

2.4 數(shù)據(jù)編碼與分析

在本研究中, 我們主要通過正確率和反應(yīng)時(shí)來衡量被試的再定向任務(wù)完成情況。其中反應(yīng)時(shí)指的是被試在每一試次中回到之前經(jīng)過的房間后, 回憶金色寶盒位置的時(shí)間。在無正確率—反應(yīng)時(shí)權(quán)衡的條件下, 正確率越高, 說明被試的空間再定向能力越好。首先, 我們將對(duì)每位被試的反應(yīng)時(shí)取平均值,并計(jì)算出他個(gè)人的反應(yīng)正確率, 然后對(duì)所有被試的反應(yīng)時(shí)和正確率數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析, 用于判斷是否存在正確率?反應(yīng)時(shí)權(quán)衡。然后, 我們會(huì)將每位被試的正確率和反應(yīng)時(shí)按總經(jīng)過的房間數(shù)或房間數(shù)差進(jìn)行分類并進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析。其中房間數(shù)差指找到水果實(shí)體的房間與返回的房間之間的序號(hào)差別, 可能為1(在第4個(gè)房間找到水果后返回第3個(gè)房間、在第3個(gè)房間找到水果后返回到第2個(gè)房間、或在第2個(gè)房間找到水果后返回到第1個(gè)房間)、2(在第4個(gè)房間找到水果后返回第2個(gè)房間,或在第3個(gè)房間找到水果后返回到第1個(gè)房間)、3(在第4個(gè)房間找到水果后返回到第1個(gè)房間); 總房間數(shù)則可能為3(在第2個(gè)房間找到水果后回到某一房間), 4(在第3個(gè)房間找到水果后回到某一房間)或5(在第4個(gè)房間找到水果后回到某一房間)。

3 結(jié)果

我們對(duì)各條件下的正確率和反應(yīng)時(shí)進(jìn)行了計(jì)算, 如圖3所示, 并進(jìn)行了2(房間形狀：正方形或長(zhǎng)方形)×2(虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型：頭盔式或桌面式)的多因素方差分析。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型的主效應(yīng)在正確率上顯著,

F

(1, 76)=6.59,

p

=0.012, η=0.08,說明被試在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所呈現(xiàn)的不連續(xù)空間中再定向的正確率(87.81%)低于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(92.81%)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型的主效應(yīng)在反應(yīng)時(shí)上顯著,

F

(1, 76)=8.17,

p

=0.005, η=0.10,說明被試在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)所呈現(xiàn)的不連續(xù)空間中再定向的反應(yīng)時(shí)(6.50秒)低于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(7.15秒)。其它主效應(yīng)和交互作用均不顯著, all

F

s < 1.15,

p

> 0.287。此外, 被試的平均反應(yīng)時(shí)與正確率之間的相關(guān)系數(shù)

r

=0.077,

p

=0.496, 即在本研究中不存在速度?準(zhǔn)確性權(quán)衡。我們還對(duì)被試自我報(bào)告的房間之間的連續(xù)程度、房間形狀以及水果墻面上的圖片對(duì)記憶任務(wù)的幫助程度等三個(gè)問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 如圖4所示, 并進(jìn)行了2 (房間形狀：正方形或長(zhǎng)方形)×2(虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型：頭盔式或桌面式)的組間方差分析。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型的主效應(yīng)在房間形狀的幫助程度上顯著,

F

(1, 76)=5.03,

p

=0.028, η=0.06, 說明被試認(rèn)為在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)中房間形狀對(duì)再定向任務(wù)的幫助程度(2.90)低于桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)(4.00)。虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型與房間形狀的交互作用在被試自我報(bào)告的連續(xù)程度上顯著,

F

(1, 76)=4.64,

p

=0.034, η=0.06。同時(shí), 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型與房間形狀的交互作用在被試自我報(bào)告的水果圖片對(duì)再定向的幫助程度上為邊緣顯著,

F

(1, 76)=3.73,

p

=0.057, η=0.05。其它主效應(yīng)和交互作用均不顯著, all

F

s < 2.87,

p

> 0.094。為了解釋這些顯著的交互作用, 我們進(jìn)行了事后成對(duì)比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下, 處于正方形房間的被試認(rèn)為不連續(xù)程度更高, 這一效應(yīng)達(dá)到了邊緣顯著,

t

(38)=1.96,

p

=0.057, Cohen’s

d

=0.44。同時(shí), 在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下, 處于長(zhǎng)方形房間的被試認(rèn)為水果位置對(duì)記憶任務(wù)的幫助程度更低,

t

(38)=2.16,

p

=0.037, Cohen’s

d

=0.68。而在長(zhǎng)方形房間構(gòu)成的不連續(xù)空間中, 處于頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的被試認(rèn)為水果位置對(duì)記憶任務(wù)的幫助程度更高,

t

(39)=2.51,

p

=0.017, Cohen’s

d

=0.79。另外, 被試自我報(bào)告的空間能力得分與其在不連續(xù)空間中的再定向成績(jī)無顯著相關(guān)。

圖3 不同虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型與房間類型條件下的正確率和平均反應(yīng)時(shí)。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤。

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型和房間形狀對(duì)被試主觀報(bào)告的影響。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤。

4 討論

在不連續(xù)的虛擬空間中人們失去了連接型建筑單元作為空間更新的依據(jù), 因而探索人對(duì)不連續(xù)的虛擬空間的適應(yīng)性是本研究的研究基礎(chǔ)。在對(duì)空間進(jìn)行認(rèn)知時(shí), 空間更新是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié), 然而, 在不連續(xù)空間中, 人失去了房間之間的空間線索, 無法判斷各個(gè)房間之間的距離、相對(duì)方位等空間關(guān)系, 因而無法對(duì)自己所經(jīng)過的所有空間形成認(rèn)知地圖, 可能會(huì)對(duì)房間內(nèi)的空間記憶產(chǎn)生一定的影響。被試在本實(shí)驗(yàn)中, 回憶金色盒子位置的平均正確率均在85%以上, 所以我們認(rèn)為人在沒有走廊、樓梯等連接型建筑單元的不連續(xù)虛擬空間中仍然能夠進(jìn)行再定向。而在人類生存適應(yīng)的過程中, 空間定位能力起著至關(guān)重要的作用, 而再定向能力即在迷失方向后進(jìn)行重新定位的能力能直觀體現(xiàn)人的空間定位能力(Cheng, 1986)。由此我們認(rèn)為人在不連續(xù)的虛擬空間中能夠進(jìn)行空間定位, 即人對(duì)不連續(xù)的虛擬空間具有一定的適應(yīng)性。

人對(duì)不連續(xù)的虛擬空間的適應(yīng)在一定程度上也佐證了Blascovich和Bailenson (2011)的觀點(diǎn)。他們認(rèn)為從真實(shí)到虛擬是一個(gè)連續(xù)體。而人在不連續(xù)空間中, 由于每次來到一個(gè)新的房間都是隨機(jī)朝向且與上一個(gè)房間無空間連接, 失去了空間更新的時(shí)間和內(nèi)容, 這是虛擬空間有別于真實(shí)世界的特性,然而被試對(duì)建筑單體(即房間)內(nèi)部的定位, 依舊與真實(shí)空間相同。這說明我們對(duì)虛擬空間的認(rèn)知也需要建立在真實(shí)世界的基礎(chǔ)上, 真實(shí)與虛擬有著密切的聯(lián)系。從另一個(gè)角度來看, 人在獲得空間信息的時(shí)候一方面依賴外源性運(yùn)動(dòng)信息, 如視覺流等, 另一方面則依賴內(nèi)源性運(yùn)動(dòng)信息, 如由前庭覺、本體感覺等傳輸?shù)淖陨磉\(yùn)動(dòng)信息(過繼成思, 宛小昂, 2015)。前人研究表明, 在真實(shí)空間中, 人可以僅依賴內(nèi)源性信息完成路徑整合(Loomis et al., 1993), 而在虛擬世界中人可以僅憑借外源性運(yùn)動(dòng)信息完成路徑整合(Wiener & Mallot, 2006)。在不連續(xù)的虛擬空間中, 我們?nèi)コ艘话銉H提供外源性運(yùn)動(dòng)信息的交通聯(lián)系空間, 在整個(gè)過程中同時(shí)提供兩種信息供被試進(jìn)行空間認(rèn)知。從建筑形式上來看, 不連續(xù)性使虛擬空間相比真實(shí)空間更加獨(dú)特; 而從信息提供的渠道來看, 則更加貼近真實(shí)空間。由此看來人在不連續(xù)的虛擬空間中的表現(xiàn)可能得益于此。此外, 本研究表明, 被試自我報(bào)告的在真實(shí)世界中的方向感得分與被試在虛擬現(xiàn)實(shí)中的表現(xiàn)無顯著關(guān)聯(lián), 這一結(jié)果可能體現(xiàn)人在虛擬空間中與在真實(shí)空間中的認(rèn)知存在分離。綜合來看, 虛擬現(xiàn)實(shí)可以區(qū)別于真實(shí),同時(shí)也密不可分。

另外, 幾何信息對(duì)人在不連續(xù)的虛擬空間中的再定向正確率并未產(chǎn)生明顯的影響, 我們認(rèn)為這是由于路標(biāo)信息過于明顯并能提供足夠的方位信息所致(Gouteux et al., 2001)。同時(shí), 在Learmonth,Nadel和Newcombe (2002)的研究中也提到, 在大空間中兒童到了6歲就能結(jié)合幾何信息和路標(biāo)信息進(jìn)行再定向。而此處的實(shí)驗(yàn)空間足夠大, 被試為成年人, 相較于兒童具備更加豐富的空間定位經(jīng)驗(yàn)和能力, 并且路標(biāo)信息足以進(jìn)行定位, 因而幾何信息的影響不顯著, 與前人研究一致。并且在Cheng和Newcombe (2005)的綜述中我們不難發(fā)現(xiàn), 關(guān)于再定向的人類實(shí)驗(yàn)中對(duì)兒童的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于對(duì)成人的研究, 這一現(xiàn)象也與成年人的空間認(rèn)知能力已經(jīng)成熟有關(guān), 而對(duì)嬰幼兒和兒童的研究更加能探索出人類空間認(rèn)知能力的發(fā)展和變化。因此在本研究中幾何信息并無顯著影響的結(jié)果與再定向能力的發(fā)展趨勢(shì)是一致的。

虛擬現(xiàn)實(shí)的類型對(duì)于人在不連續(xù)的虛擬空間中的再定向存在一定的影響。由于頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在設(shè)備構(gòu)成、沉浸度上的一些差別, 使得二者與人進(jìn)行交互時(shí)會(huì)有不同的影響, 如影響人完成某個(gè)認(rèn)知任務(wù)的成績(jī)(Pausch et al., 1997)。本研究的結(jié)果表明人在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的再定向成績(jī)更高, 并且不容易受到被試記憶內(nèi)容多少的影響, 而人在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的再定向成績(jī)更低, 這與Santos等人(2009)的研究結(jié)果是一致的。同時(shí)這一區(qū)別還會(huì)受到單次試驗(yàn)中經(jīng)過的總房間數(shù)的影響, 即隨著記憶內(nèi)容的增加,回憶成績(jī)將會(huì)有一定的下降。我們認(rèn)為, 出現(xiàn)這樣的結(jié)果, 可能的原因之一是桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸感較低, 被試在完成空間任務(wù)的時(shí)候更容易使用言語(yǔ)策略來對(duì)虛擬空間進(jìn)行編碼。因此, 盡管他們能夠完成再定向任務(wù), 但是真正的原因可能是把虛擬空間進(jìn)行了“去空間化”。這一解釋與前人發(fā)現(xiàn)頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)比桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)更容易引起不適的原因相似(Sharples et al., 2008), 也與本研究中被試在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中更多使用編號(hào)作為記憶編碼方式的現(xiàn)象一致。同時(shí)在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)呈現(xiàn)的不連續(xù)虛擬空間中, 被試再定向的正確率較高, 可能產(chǎn)生了天花板效應(yīng), 從而掩蓋了記憶量大小對(duì)回憶成績(jī)的影響。此外, 還有一種可能的原因是, 使用桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與被試在日常生活中使用電腦的經(jīng)驗(yàn)比較相似, 尤其是對(duì)于經(jīng)常玩電腦游戲的被試, 可能曾在游戲中在進(jìn)行過類似于空間定向的任務(wù), 因此已建立了一定的策略。相較之下, 絕大多數(shù)被試接觸頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)會(huì)較少, 對(duì)其并不熟悉, 且佩戴較重的頭盔、使用游戲手柄等較為陌生的體驗(yàn)可能會(huì)對(duì)任務(wù)造成干擾。

被試在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的反應(yīng)時(shí)也更長(zhǎng), 這點(diǎn)是由于在不同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)下, 被試旋轉(zhuǎn)方式的不同所導(dǎo)致的時(shí)間上的客觀差異, 即在頭盔式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中被試通過旋轉(zhuǎn)自己的身體即可調(diào)整身體朝向, 而在桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中需要在鍵盤上按鍵才能以一定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(Pausch et al.,1997)。本實(shí)驗(yàn)中記錄的反應(yīng)時(shí)雖不能完全代表被試的空間行為, 但能說明兩種不同虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的客觀差別和造成的行為差異。此外, 在被試關(guān)于房間連續(xù)程度及水果位置的幫助程度的自我報(bào)告中,我們發(fā)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型與房間形狀會(huì)共同產(chǎn)生影響, 雖然房間形狀沒有對(duì)人的再定向成績(jī)產(chǎn)生影響, 但是會(huì)對(duì)人的感受造成一定的影響。這也為我們對(duì)幾何信息對(duì)人的再定向成績(jī)產(chǎn)生影響的解釋提供了依據(jù)。

本研究的方法及結(jié)果對(duì)于空間參照系的相關(guān)理論起到了一定的支持作用。根據(jù)Levinson (2003)空間參照系理論, 存在內(nèi)在參照系、自我中心參照系和絕對(duì)參照系這三種參照系。而在本研究中, 由于虛擬空間不連續(xù), 不存在絕對(duì)方向, 因此被試很難按照絕對(duì)參照系進(jìn)行區(qū)分; 又由于被試每次到達(dá)房間時(shí)朝向隨機(jī), 不能以自我為參考系進(jìn)行空間記憶, 在實(shí)驗(yàn)過程中只能以空間內(nèi)的物體為參照系進(jìn)行空間記憶。因此, 本研究的結(jié)果支持了內(nèi)在參照系的存在。后續(xù)可以通過對(duì)本研究方法的拓展進(jìn)一步探究三種參照系中的優(yōu)先級(jí)。

在本研究中, 27%的被試在自我報(bào)告的過程中表示記憶寶盒位置是通過編號(hào)來進(jìn)行的, 如以水果墻為參照順時(shí)針旋轉(zhuǎn), 寶盒位置分別為“1”、“2”、“3”和“4”, 這說明被試由于在不連續(xù)的空間中缺乏連續(xù)的空間更新, 輔之以簡(jiǎn)單任務(wù), 被試可能傾向于用非空間的策略, 如編號(hào)來記憶空間。這一現(xiàn)象在某種程度上體現(xiàn)了人對(duì)不連續(xù)的空間單體的高度適應(yīng), 即被試能夠掌握虛擬空間中的記憶技巧。因此, 若想要進(jìn)一步探究人是否能夠真正適應(yīng)虛擬空間, 未來需要進(jìn)一步研究, 需要讓被試難以使用非空間策略進(jìn)行空間編碼和記憶, 如讓寶盒隨機(jī)呈現(xiàn)在房間中的不同位置, 從而避免人在虛擬空間中使用非空間策略, 若被試能夠有較低的誤差則說明人能夠適應(yīng)虛擬空間。

總之, 本研究通過行為實(shí)驗(yàn)與問卷調(diào)查相結(jié)合的方法, 探究了人在不連續(xù)的虛擬空間中的再定向能力, 及虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型以及房間幾何形狀對(duì)空間再定向成績(jī)的影響。本研究希望打破虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)真實(shí)世界的模仿、聚焦虛擬環(huán)境中獨(dú)有的特點(diǎn), 探究人對(duì)虛擬環(huán)境的可能適應(yīng)性。研究結(jié)果表明, 人在不連續(xù)的虛擬空間中能夠進(jìn)行空間再定向, 并且空間再定向的成績(jī)會(huì)受虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型的影響,但是不受虛擬空間的幾何信息的影響。本研究將人類空間再定向能力的研究從現(xiàn)實(shí)空間延伸到了虛擬空間, 利用虛擬空間區(qū)別于現(xiàn)實(shí)空間、所獨(dú)有的“不連續(xù)性”,發(fā)現(xiàn)了人對(duì)于不連續(xù)的虛擬現(xiàn)實(shí)空間的適應(yīng)性, 同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)影響因素進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)空間中可能影響兒童進(jìn)行再定向的幾何信息在本研究中并未產(chǎn)生顯著的影響, 而作為呈現(xiàn)載體的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型則影響較大。且空間再定向研究多關(guān)注于兒童, 本研究則補(bǔ)充了成年人空間再定向能力的研究。從結(jié)果來看, 本研究也豐富了人在不同虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備類型中的行為差異的相關(guān)研究, 是一個(gè)結(jié)合空間能力和虛擬現(xiàn)實(shí)的典型研究。

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