虛擬三維場景下視聽覺地標(biāo)導(dǎo)航作用差異

李義雙，馮成志，史新廣

(1.蘇州大學(xué) 教育學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215325)

1 引言

空間導(dǎo)航是人與動物在日常生活中必備的生存技能，Montello把導(dǎo)航定義為人或動物在環(huán)境中為了抵達(dá)特定目的地而采取的一系列協(xié)調(diào)運(yùn)動，并將其劃分為行進(jìn)(Locomotion)和尋路(Wayfinding)兩個子活動[1]。導(dǎo)航過程中，我們需要通過整合諸多信息以從起始位置抵達(dá)目的地，有時甚至還要進(jìn)行返航；在執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)時，我們往往會采用多種導(dǎo)航策略幫助我們更快地抵達(dá)目的地，其中借助地標(biāo)是個體生命早期就具備的一種能力[2-4]，并且這種地標(biāo)的使用不是盲目的，當(dāng)?shù)貥?biāo)變得不可靠或無效時，人們往往會拋棄這種策略，轉(zhuǎn)而尋找更優(yōu)策略[5-7]，體現(xiàn)出人在導(dǎo)航過程中策略使用的靈活性。由于人在導(dǎo)航過程中主要依賴視覺獲取環(huán)境信息，因此以往的研究者大多從視覺出發(fā)考察地標(biāo)對人空間導(dǎo)航能力的影響[4,8-9]，發(fā)現(xiàn)了視覺地標(biāo)的促進(jìn)作用。但是Yoder,Clark和Taube在研究中提出地標(biāo)也可以由其他非視覺的感官信息組成，比如觸覺和聽覺線索[10]。然而，目前對視覺之外的地標(biāo)關(guān)注較少，而聽覺作為感知加工中重要的一部分，有研究表明多通道可以擴(kuò)大我們的工作記憶，促進(jìn)認(rèn)知加工[11]。并且根據(jù)注意分配的多重資源模型來看[12-13]，視覺地標(biāo)下，導(dǎo)航的兩個子任務(wù)——行進(jìn)、找路均占用視覺注意資源，兩者在同一通道內(nèi)競爭有限資源；聽覺地標(biāo)下，行進(jìn)占用視覺注意資源，找路依賴聽覺注意資源，兩者在不同的通道進(jìn)行加工，相對干擾較小 。而在多目標(biāo)追蹤研究中也的確發(fā)現(xiàn)，兩項(xiàng)任務(wù)同時競爭視覺編碼所消耗注意資源要多于視聽跨通道信息融合所消耗的注意資源[14]。同樣地，在導(dǎo)航任務(wù)中，如果我們追隨聽覺地標(biāo)，采用多通道聯(lián)合加工，是否可以促進(jìn)我們的導(dǎo)航表現(xiàn)呢？此外，我們的視覺并不能夠時刻保持最佳的線索供給，循聲而至也是我們?nèi)粘Ｉ钪幸环N常見的導(dǎo)航方式。因此，在本研究中，我們采用Unity游戲引擎開發(fā)了虛擬三維迷宮場景，考察視、聽地標(biāo)對空間導(dǎo)航的作用差異，并且預(yù)測視覺地標(biāo)、聽覺地標(biāo)的導(dǎo)航效果要顯著優(yōu)于無地標(biāo)情況，而聽覺地標(biāo)的導(dǎo)航效果要優(yōu)于視覺。

以往有關(guān)視覺地標(biāo)的研究發(fā)現(xiàn)個體在地標(biāo)使用上存在顯著的性別差異[15-18]，具體表現(xiàn)為女性在導(dǎo)航過程中主要依賴地標(biāo)信息，而男性則偏向同時使用地標(biāo)和幾何信息[19]；Chamizo等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)即使是在同樣需要借助地標(biāo)導(dǎo)航的情況下，男女也表現(xiàn)出對地標(biāo)不同方面的偏好[20]；這些研究表明性別是導(dǎo)航過程中地標(biāo)使用情況的重要影響因素。此外，個體相關(guān)游戲經(jīng)驗(yàn)也會影響導(dǎo)航策略的使用[18,21-22]，尤其是具有相關(guān)導(dǎo)航功能的視頻游戲[23]，研究發(fā)現(xiàn)擁有這些游戲經(jīng)驗(yàn)的玩家，在與電子游戲相關(guān)的特定認(rèn)知任務(wù)中，如感覺處理、視覺注意力和反應(yīng)時間等方面具有明顯優(yōu)勢[24]。而這些能力也是決定導(dǎo)航表現(xiàn)的重要因素。

但是以往對這兩個影響空間導(dǎo)航能力的變量研究大多數(shù)是基于視覺地標(biāo)展開的，而較少涉及聽覺地標(biāo)。因此，我們將這兩個重要的影響因素也納入了我們的研究之中，以更好地考察視聽覺地標(biāo)在空間導(dǎo)航中的作用。

2 對象與方法

2.1 對象

來自江蘇兩所高校的大學(xué)本科生參與了實(shí)驗(yàn)，其中有效被試48名(部分被試因3D眩暈中途退出實(shí)驗(yàn))，游戲玩家和非游戲玩家各24名，每組被試男女各半，年齡(M=20.79，SD=1.50)。所有被試視聽正常，均為右利手，無精神病史。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，每個被試都獲贈了一份精美禮品。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

由于本實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)航環(huán)境采用的是桌面3D迷宮，因此在篩選玩家被試時編制了最為接近實(shí)驗(yàn)環(huán)境的電腦3D轉(zhuǎn)向類游戲經(jīng)驗(yàn)問卷，問卷中包括是否玩電腦游戲，接觸電腦3D轉(zhuǎn)向類游戲時間、近一個月每周玩電腦3D轉(zhuǎn)向類游戲時長、以及近期在玩的電腦3D轉(zhuǎn)向類游戲名稱；而實(shí)驗(yàn)中使用的三維迷宮，首先是通過MazeGenerator在線生成難度系數(shù)為0.5的3個迷宮平面圖，然后根據(jù)平面圖使用Blender 2.79三維建模軟件生成相應(yīng)的三維迷宮，迷宮從入口至出口僅有一條正確通道，在死胡同處設(shè)置錯誤觸發(fā)器來記錄被試進(jìn)入盲道次數(shù)。出口處視覺地標(biāo)為遠(yuǎn)處可見的旗桿，而聽覺地標(biāo)為全景播放的音樂，聲源設(shè)置在出口處，音量根據(jù)被試距離出口的遠(yuǎn)近進(jìn)行指數(shù)衰減。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用2(性別：男、女)×2(類型：玩家、非玩家)×3(地標(biāo)：無、視覺、聽覺)的混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。因變量為習(xí)得前時間、習(xí)得前次數(shù)以及進(jìn)入錯誤通道次數(shù)。從玩家進(jìn)入迷宮到連續(xù)三次無誤走出迷宮的時間作為習(xí)得前時間。從玩家進(jìn)入迷宮到連續(xù)三次無誤走出迷宮這個過程中觸發(fā)的出口次數(shù)作為習(xí)得前次數(shù)。從玩家進(jìn)入迷宮到連續(xù)三次無誤走出迷宮這個過程中進(jìn)入錯誤通道的次數(shù)作為進(jìn)入錯誤通道次數(shù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)程序

正式實(shí)驗(yàn)前，自愿參加實(shí)驗(yàn)的學(xué)生填寫游戲經(jīng)驗(yàn)問卷，從中篩選出接觸電腦3D轉(zhuǎn)向類游戲至少一年，且近一個月每周游戲時間不低于兩個小時的被試作為游戲玩家，而沒有電腦游戲轉(zhuǎn)向經(jīng)驗(yàn)的被試作為非游戲玩家，并且在實(shí)驗(yàn)前對每個被試還進(jìn)行了空間記憶的測試。

每個被試分別在無地標(biāo)、視覺地標(biāo)(旗桿)、聽覺地標(biāo)(3D聲音，指數(shù)衰減)(實(shí)驗(yàn)順序在被試之間進(jìn)行平衡，三維迷宮在不同地標(biāo)條件下進(jìn)行平衡)三種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單個試次從主角進(jìn)入“迷宮”開始計(jì)時，找到“出口”則停止計(jì)時，僅當(dāng)被試連續(xù)三次在沒有錯誤的情況下走出“迷宮”，才終止實(shí)驗(yàn)。其中視聽條件下被試達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求后，再進(jìn)行一次同種地圖下的無地標(biāo)測試，以考察其是否真正掌握。實(shí)驗(yàn)前非游戲玩家和游戲玩家均進(jìn)行練習(xí)以熟悉操作。

圖1 視覺地標(biāo)圖示

3 結(jié)果

以玩家類型和性別為組間變量，地標(biāo)類型為組內(nèi)變量，空間記憶為協(xié)變量進(jìn)行重復(fù)測量方差分析。

3.1 習(xí)得前的試次數(shù)

在習(xí)得前試次上，性別主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1,43)=5.34,P<0.05,η2=0.110；男生習(xí)得前所用的試次數(shù)顯著少于女生(見表1)。視標(biāo)與性別交互作用顯著(見圖2A)，F(xiàn)(2,86)=3.13,P<0.05,η2=0.068；簡單效應(yīng)分析表明，當(dāng)沒有地標(biāo)時，男女之間差異顯著(P<0.001)，男生快于女生,其它條件下無顯著差異。對于女性被試，無地標(biāo)時習(xí)得前的試次數(shù)均顯著多于視覺和聽覺地標(biāo)(P<0.05)，但后兩者間的差異不顯著。視標(biāo)與玩家交互作用顯著(見圖2B)，F(xiàn)(2,86)=6.54,P<0.01,η2=0.132；視覺條件下，玩家類型之間差異顯著(P<0.001)，玩家快于非玩家，其它條件下無顯著差異；對于玩家而言，視覺地標(biāo)條件下的習(xí)得所需次數(shù)顯著少于無地標(biāo)和聽覺地標(biāo)(P<0.05)，后兩者顯著差異呈邊緣顯著(P=0.080)；對于非玩家而言，有無地標(biāo)對試次數(shù)的影響不顯著。三者交互作用顯著(見圖2C)，F(xiàn)(2,86)=5.24,P<0.01,η2=0.109；僅當(dāng)被試為女生時，玩家和非玩家之間差異顯著(P<0.001)，即女性玩家顯著快于女性非玩家，其它條件下差異不顯著；對于女性非玩家，聽覺地標(biāo)稍微優(yōu)于視覺地標(biāo)(P=0.058)；對于玩家而言，不論男女，有地標(biāo)的情況均優(yōu)于無地標(biāo)時(P<0.01)，但對于女玩家，視覺地標(biāo)優(yōu)于聽覺地標(biāo)(P<0.01)，而男玩家，此二者間差異并不顯著。

表1 習(xí)得前試次數(shù)(M±SD)

圖2 習(xí)得前的試次數(shù)

3.2 進(jìn)入盲道錯誤次數(shù)

在進(jìn)入錯誤通道上，性別主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1,43)=10.19,P<0.01,η2=0.192,女生錯誤次數(shù)顯著多于男生(見表2)。玩家與性別交互作用呈邊緣顯著，F(xiàn)(1,43)=3.04,P=0.088,對于男性被試，玩家的錯誤次數(shù)多于非玩家；對于女性被試，非玩家的錯誤次數(shù)多于玩家。視標(biāo)與玩家交互作用邊緣顯著，F(xiàn)(2,86)=3.10,P=0.050,η2=0.067,簡單效應(yīng)分析表明，視覺條件下，玩家類型之間差異顯著(P<0.01)，玩家錯誤次數(shù)顯著少于非玩家，其它條件無顯著差異。僅當(dāng)玩家為女性時(見圖3)，視覺地標(biāo)在減小錯誤次數(shù)方面表現(xiàn)較差，顯著差于無地標(biāo)和聽覺地標(biāo)(P<0.01)，后兩者間無顯著差異。

表2 進(jìn)入盲道錯誤次數(shù)(M±SD)

圖3 進(jìn)入錯誤通道次數(shù)

3.3 習(xí)得前的學(xué)習(xí)時間

在習(xí)得前用時上，性別主效應(yīng)顯著，F(xiàn)(1,43)=25.42,P<0.001,η2=0.371，男性顯著快于女性(Mboy=252.68)(見表3)。性別和玩家之間交互作用顯著(見圖4A)，F(xiàn)(1,43)=5.58,P<0.05,η2=0.115，簡單效應(yīng)分析表明，僅在女性玩家之間存在顯著差異(P<0.05)，女性玩家優(yōu)于男性玩家，而男性玩家和非玩家之間差異不顯著。視標(biāo)和玩家交互作用顯著(見圖4B)，F(xiàn)(2,86)=4.32,P<0.05,η2=0.091,簡單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，在視覺條件下，非玩家速度顯著慢于玩家(P<0.01)，其它條件下差異不顯著。對比不同視標(biāo)條件，發(fā)現(xiàn)視標(biāo)對非玩家沒有影響；對玩家而言，視覺地標(biāo)的效果最好，顯著快于無地標(biāo)和聽覺地標(biāo)(P<0.01)，但后兩者之間差異并不顯著。三者交互作用顯著(見圖4C)，F(xiàn)(2,86)=3.52,P<0.05,η2=0.076，僅當(dāng)被試為女生時，玩家和非玩家之間差異顯著(P<0.001)，即女性玩家顯著快于女性非玩家，其它條件下差異不顯著；對于女性非玩家，聽覺視標(biāo)效果顯著優(yōu)于無地標(biāo)和視覺地標(biāo)(P<0.05)，后兩者之間差異不顯著。對于女性玩家，視覺地標(biāo)顯著優(yōu)于無地標(biāo)和聽覺地標(biāo)(P<0.01)，后兩者差異不顯著。

表3 習(xí)得前的學(xué)習(xí)時間(M±SD)

圖4 習(xí)得前用時

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)男性在三個指標(biāo)上的表現(xiàn)均顯著優(yōu)于女性，這與之前研究提到的男性在空間任務(wù)上總體而言優(yōu)于女性一致[25-26]。而有關(guān)于這種性別差異的解釋，Gr?n等人認(rèn)為這種性別差異具有一定的神經(jīng)基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為在導(dǎo)航過程中，男性的左海馬區(qū)有明顯的激活，而女性的右半腦頂葉和右半腦前額葉皮層處于激活狀態(tài)[27]。也有研究者從理論的角度提出這種空間能力的性別差異是基于進(jìn)化的，自然環(huán)境在其中起了重要作用[28]；最后，基于我們的實(shí)驗(yàn)本身來看，男性非玩家在其他游戲經(jīng)驗(yàn)上要超出女性非玩家許多，這可能也是造成這種結(jié)果的重要原因。

針對習(xí)得前試次以及用時上的性別與玩家交互效應(yīng)，我們猜測之所以玩家與非玩家的習(xí)得前試次、用時差異僅出現(xiàn)在女性群體而未出現(xiàn)在男性群體，很大一部分原因是我們的女性非玩家在游戲經(jīng)驗(yàn)上(無論是電腦轉(zhuǎn)向游戲還是手游經(jīng)驗(yàn))都相當(dāng)匱乏，而男性非玩家雖然排除了電腦轉(zhuǎn)向游戲經(jīng)驗(yàn)，但是大多數(shù)男性非玩家仍舊有著或多或少的手游經(jīng)驗(yàn)，而這一點(diǎn)是我們在實(shí)驗(yàn)中未考量的。而以往一些研究從更為廣義的視頻游戲入手也發(fā)現(xiàn)游戲經(jīng)驗(yàn)與虛擬導(dǎo)航表現(xiàn)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[23,29-30]，以后的研究可能需要對玩家類型進(jìn)行更細(xì)致全面的切分以更好地考察其與導(dǎo)航表現(xiàn)的關(guān)系。此外，本研究僅在女性非玩家中發(fā)現(xiàn)了聽覺地標(biāo)的顯著作用，這也再次體現(xiàn)出游戲經(jīng)驗(yàn)在個體空間導(dǎo)航中的重要作用。女性非玩家在游戲經(jīng)驗(yàn)上相對更為貧乏，因此視覺地標(biāo)經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)勢在這部分群體身上得不到體現(xiàn)，這也再次表明游戲經(jīng)驗(yàn)在個體空間導(dǎo)航中的重要作用。

在進(jìn)入錯誤通道次數(shù)上，玩家表現(xiàn)應(yīng)該普遍優(yōu)于非玩家，但是在本研究中，在男性被試中出現(xiàn)了截然不同的情況，表現(xiàn)為男性玩家進(jìn)入錯誤通道的次數(shù)要多于非玩家。我們認(rèn)為男性玩家由于經(jīng)驗(yàn)上的豐富在路徑學(xué)習(xí)上原本應(yīng)該會更好，但是急功近利的心理促使他們遠(yuǎn)不如非玩家謹(jǐn)慎，尤其是在轉(zhuǎn)彎的時候，容易因?yàn)檩p視、冒進(jìn)而造成走錯路，缺少速度與準(zhǔn)確性的權(quán)衡，使得經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢節(jié)省的時間耗費(fèi)在了錯誤通道上，因此我們看到兩者在總的習(xí)得前用時上差異不顯著。

前人將導(dǎo)航過程中涉及的策略分為空間策略和反應(yīng)策略(基于地標(biāo)的反應(yīng)、基于起始位置的反應(yīng))[31-32]。具體而言，當(dāng)個體在導(dǎo)航過程中借助不同線索之間的位置關(guān)系進(jìn)行空間表征，則該個體使用的就是空間策略，如果個體記住的是基于某個單一位置的一系列身體轉(zhuǎn)動，那么他使用的就是反應(yīng)策略。在實(shí)驗(yàn)中，僅在迷宮出口設(shè)置了單一的地標(biāo)，我們認(rèn)為如果被試采用的是基于起始位置的反應(yīng)策略，那么三種地標(biāo)條件下的導(dǎo)航表現(xiàn)應(yīng)該無顯著性差異，但是結(jié)果卻并非如此，這表明地標(biāo)在被試的導(dǎo)航過程中起了作用，也就是說被試在導(dǎo)航任務(wù)中使用了地標(biāo)。但是在后續(xù)的探測實(shí)驗(yàn)中，我們移除了地標(biāo)，被試同樣成功導(dǎo)航到迷宮出口，說明被試僅是在實(shí)驗(yàn)的初始階段借助了地標(biāo)尋路，但是基于我們記路的任務(wù)要求，被試做出了靈活的策略調(diào)整，轉(zhuǎn)向基于起始位置的反應(yīng)策略。所以在移除地標(biāo)任務(wù)中仍舊表現(xiàn)良好。這與前文提及個體在導(dǎo)航策略的使用上具有靈活性一致[5-7]。

總體來看，在習(xí)得前的試次以及用時上，對于非玩家而言，三種地標(biāo)情況無顯著性差異，而對于玩家來講，視覺地標(biāo)要顯著優(yōu)于無地標(biāo)和聽覺地標(biāo)條件。這與前人發(fā)現(xiàn)的視覺地標(biāo)的促進(jìn)作用具有一致性[33-34]。從進(jìn)化角度來看，由于人類通常是白天活動，因此更多地借助視覺線索導(dǎo)航。更為重要的是在虛擬場景下，被試僅能夠根據(jù)方位和聲音的強(qiáng)度判斷出口的大概位置，但是卻無法依據(jù)聲音對死胡同進(jìn)行規(guī)避。因此，聽覺的引導(dǎo)與現(xiàn)實(shí)情景存在差異，無法提供精準(zhǔn)的導(dǎo)航信息，未來需要進(jìn)一步完善虛擬場景技術(shù)設(shè)置。而之所以這個差異在非玩家身上沒有得到體現(xiàn)，我們認(rèn)為策略的使用是一個后天經(jīng)驗(yàn)累積的過程，在以往關(guān)于司機(jī)的導(dǎo)航研究中發(fā)現(xiàn)，司機(jī)的海馬體積要大于常人，且經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)要大于經(jīng)驗(yàn)稍淺的司機(jī)[35]；而另一項(xiàng)關(guān)于螞蟻導(dǎo)航的研究也表明生活在一個視覺上雜亂的半干旱棲息地的沙漠螞蟻比起生活在光禿地帶的箭蟻更容易轉(zhuǎn)向基于地標(biāo)的導(dǎo)航[36]。同樣的，我們的非玩家由于在電腦轉(zhuǎn)向游戲上的經(jīng)驗(yàn)不足，沒有對地標(biāo)策略的經(jīng)驗(yàn)偏好，因此在有無地標(biāo)條件下，導(dǎo)航的成績并無顯著差異。

總而言之，視覺地標(biāo)在導(dǎo)航中的促進(jìn)作用在研究中得到了進(jìn)一步的確認(rèn)，但是對于聽覺地標(biāo)的作用，我們還不能一概而論。此外，我們也發(fā)現(xiàn)，在該虛擬場景下的導(dǎo)航活動主要依靠被試操控鼠標(biāo)進(jìn)行移動而不是基于個體真實(shí)的身體移動，這種視覺刺激與運(yùn)動刺激的不一致會觸發(fā)部分被試的眩暈感造成不適(本研究中這部分被試中途退出實(shí)驗(yàn)，未納入最終的數(shù)據(jù)分析)，因此對于這部分前庭系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的人在虛擬場景下的導(dǎo)航也還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1)男性導(dǎo)航表現(xiàn)總體優(yōu)于女性。

(2)女性玩家導(dǎo)航表現(xiàn)總體優(yōu)于非玩家。

(3)視覺地標(biāo)有助于玩家導(dǎo)航，而聽覺地標(biāo)在女性非玩家的導(dǎo)航任務(wù)中表現(xiàn)出眾。