虚拟现实技术在空间认知心理学研究中的发展与应用现状

王　雯　王国强

【摘 要】 进入二十一世纪以来，随着应用心理学领域在人类生活各个领域的广泛涉猎新的研究主题。很多有趣的空间认知心理学实验都是在虚拟现实环境下进行的。2006年美国科学家Ann E.Schlosser就证明使用虚拟现实技术可以增强人们的记忆。

随着我国研究空间认知心理学的学者逐渐增多，一个个新成果催进了这个领域在中国的发展。

【关键词】 虚拟现实；认知科学；空间认知オ

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR，还有人翻译为“灵境”、“幻真”，是近年来出现的高新技术，也称为“灵境技术”或“人工环境”。从上个世纪80年代开始，美国科学家Jaron Lanier将虚拟现实技术真正实现，组创了美国 VPL公司，实现了虚拟现实的商业化运作。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，如同进入真实的空间。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。VR综合集成技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。这项技术的运用正在给人类的生活带来全新的意义。［1］近年来，随着国外虚拟现实技术的迅猛发展，我国虚拟现实技术的应用也正渐渐渗透到军事、教育、科学研究、制造业、建筑设计、游戏娱乐等众多领域［2］［3］。尤其在科学研究领域中，桌面式虚拟现实系统十分广泛，主要集中于医学、地球科学、心理学、航空航天、军事学等学科［4］［5］。

一、国外VR技术在空间认知心理学中的发展

20世纪90年代后，由于计算机模拟虚拟现实技术已经在众多科学研究领域做出了突出的贡献，心理学家们发现它同样可以成为空间认知心理学研究的有力工具。随后，这项技术首先运用于空间视知觉研究中。早在上个世纪六七十年代，美国心理学家Helen和Hein曾经做过一个关于深度知觉的经典实验，内容如下：两组小猫被关在黑暗中喂养，在它们面前是相同的视觉图形，其中一组小猫可以自由行动，另一组则无法行动，数周后，可以自由行动的那组小猫一切正常，而另一组小猫则不断撞在其它物体上，好像根本看不见周围的摆设。他们证明没有肢体运动系统的存在，就没有所谓的知觉。风靡一时的行为实验所得的观点在新技术的论证下很快被颠覆。1991年美国心理学家Warrila使用VR技术重复了这个经典实验后总结道：“物体不是通过特征的视觉提取而是通过动作的视觉导向被感知的”［6］，如果Helen和Hein拥有虚拟现实技术这个工具的话，他们的实验结论会是截然相反的。[JP]

心理学家Riecke等人使用虚拟现实的方法研究表明，虚拟现实的真实感可以在真实的移动与虚拟的移动之间建立直接的联系，使被试产生如同真实场景下行走的感受，所以他认为人类可以只依赖视觉信息，就可以完成移动、心理旋转、三角定位等空间任务。1993年Beer的研究表明，在视觉刺激自动化时，被试可以利用视觉流（Optical Flow）的改变来更新场景。视觉空间关系加工不仅与大脑的特异性有关，而且还涉及了视觉的再认知、空间定向、定位、轨迹追踪以及表象转换等高级空间认知加工过程［7］，所以人们需要对视觉信息对物体之间的空间关系不断地进行加工。

进入二十一世纪以来，随着应用心理学领域在人类生活各个领域的广泛涉猎新的研究主题。很多有趣的空间认知心理学实验都是在虚拟现实环境下进行的。2006年美国科学家Ann E.Schlosser就证明使用虚拟现实技术可以增强人们的记忆。这位学者使用虚拟现实技术和普通语言文字介绍一种新型照相机的使用方法，在虚拟现实技术展示下，人们能够更好更快的使用这种新照相机。类似的实验在近期的《科学日志》杂志上层出不穷，几乎每天都会刊登新的研究来丰富或更新对于人类空间认知心理问题的认识

二、国内空间认知心理学研究中使用虚拟现实技术的状况

国内空间认知心理学研究较多集中于平面环境或语言想象环境下，而较少涉及使用虚拟现实手段实现三维实验环境。随着我国研究空间认知心理学的学者逐渐增多，一个个新成果催进了这个领域在中国的发展。中科院心理所牟炜民教授率先引进的增强现实技术证明了在空间巡航时使用的空间表征以环境中心参照为主［8］。牟教授设计的实验是让观察者首先记忆由若干物体构成的一个场景中各物体的空间位置，然后戴上眼罩完成迷向前和迷向后两种条件下的物体指向任务。结果发现当观察者从场景外学习一个有明显内在参照系结构的场景时，被试在迷向后物体指向的一致性与更新后物体的指向一致性相当；而当观察者从场景内学习一个没有明显内在参照系结构的场景时，被试在迷向后物体指向的一致性要差于更新后物体的指向一致性。无论场景结构良好与否，迷向后的指向的一致性远高于随机水平。这些实验结果表明：空间表征中存在着环境中心参照系和自我中心参照系两种表征；空间巡航主要依赖环境中心参照系，当不能形成良好的环境中心参照系表征时，被试可能使用自我中心参照系表征。

三、认知研究使用虚拟现实技术需要注意的问题

沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实系统这三类技术采用第一人称视角的虚拟现实环境，画面运动的支点是被试的眼睛，被试视线的移动与画面中未出现的主角保持一致，这种空间上的连贯性使两者在行动上较容易产生认同；相比较在桌面式虚拟现实系统第三人称视角的虚拟现实环境中，Andy Cockburn 和 Bruce McKenzie认为这种环境严格而言并非虚拟现实的三维环境，而是二维半环境［6］。画面以所操控角色为中心，尽管其视野较第一人称开阔，令被试可以更方便地对周围的环境做出判断，但视角的不一致很容易导致外部角色与内部角色的分离，从而影响虚拟现实的真实性，被试会感觉自己是在操纵一个木偶，这个木偶存在于环境中（in game）但并不属于环境（of game）。要解决这一问题，必须借助良好的输入系统将外部角色的行动与内部角色的行动作自然合理的映射。当我们下意识地认为“我在转弯”、“我在捡起地上的东西”的时候，操控的感觉实际上已不复存在，输入系统已成为我们身体的一部分或者说一种延伸，将此时外部角色的行动与内部角色的行动融为一体。

在定向与行走的实验中使用虚拟现实技术比在现实环境中进行一般的行走实验更有利于实验［7］。人们对于验证实验工具对于实验有效性的方法是重复已经在自然环境中得到的实验结果。最重要的是，实验条件需要很好界定，而且好控制，能够准确的重复实验［9］。此外，虚拟现实的实时交互功能支持更接近行走知觉的、可循环的空间认知的本质研究。Plumert和 Kearney做了增强现实的研究表明，这种虚拟现实技术能够使人们获得更好的距离知觉［9］。

使用沉浸式虚拟现实系统、分布式虚拟现实系统、增强现实这些技术进行空间认知研究使得人们对于知觉条件限定在一个更严格的实验条件下进行，而且不涉及身体的本体感应，前庭觉对知觉的影响。

四、需要解决的技术问题

1、体显示和传感器技术

虚拟现实的交互能力依赖于立体显示和传感器技术的发展，现有的设备远远不能满足需要，比如头盔式三维立体显示器有以下缺点：过重（1.5 kg至2kg）、分辨率低（图像质量差）、延迟大（刷新频率低）、行动不便（有线）、跟踪精度低、视场不够宽、眼睛容易疲劳等，因此有必要开发新的三维显示技术。同样，数据手套、数据衣服等都有延迟大、分辨率低、作用范围小、使用不便等缺点，在进行认知神经科学的研究过程中，会遇到阻力。尤其是虚拟现实技术与多种生理监测仪器的共同使用，已经成为国际上流行的工具，但在我国相关的研究还处于相对落后的地位。

2、用系统开发工具

心理学领域运用虚拟现实的关键是选择合适的虚拟现实系统，以及如何进行有效的实验。而现阶段从未有任何统一的虚拟现实开发工具问世，这就降低了认知实验的科学性和精确性。我国空间认知心理学研究的现状是：少有计算机界学者与认知心理学学者共同进行跨学科的科学研究。

3、统集成技术

由于VR系统中包括大量的感知信息和模型，因此系统集成技术起着至关重要的作用。集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别与合成技术等等。必须研究虚拟现实的开发工具并配合相应脑成像技术，例如VR系统开发平台与fMRI（功能核磁共振技术）的联合使用。这些是我国空间认知心理学家们联合计算机软件人员亟待解决的技术问题。

【参考文献】

［1］ 承继成，李琦等.数字城市-理论方法和应用［M］.北京：科学出版社.2003．

［2］ 许百华，赵业.虚拟现实技术在心理治疗中的应用［J］.心理科学，2005，（3）：654-655．

［3］ 杜军.虚拟现实技术在教学中的应用［J］．山东师范大学学报（自然科学版），2005，（2）：1O3-104．

［4］ 刘凯，毋河海，胡洁.虚拟现实技术在地球科学中的应用现状与前景展望［J］.河南大学学报，2007.（4）．

［5］ 高俊，游雄.虚拟现实及其在军事测绘与作训模拟中的应用［J］．解放军测绘学院学报.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 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）．

ァ咀髡呒蚪椤开

王 雯（1981-），女，陕西西安人，西安文理学院教育系教师．

王国强（1979-），男，陕西府谷人，西安文理学院教育系教师，硕士研究生．