虚拟现实技术的心理学应用综述

胡东武 陈 爽 陈宏伟

心理学有着漫长的过去,却只有短暂的历史（Hermann Ebbinghaus）[1]。虚拟现实(又称灵境；Virtual Reality,VR)技术应用于心理学就更晚，仅有20余年历史。虚拟现实技术，融合3D知感觉技术、现代仿真技术、电子计算机技术、电子信息技术等技术于一体，通过计算机模拟虚拟3D环境、仿真情境、逼真场景从而给人以良好的沉浸性、构想性、自主性、多感知性交互体验，注定VR从一诞生开始就与心理学密切相关，并且在心理学领域具有广泛应用前景。

随着5G、AI、高清显示等VR周边支撑科技的重大突破和深入应用，特别是2016年习近平主席在杭州二十国集团工商峰会开幕式上发表题为《中国发展新起点 全球增长新蓝图》的主旨演讲中特别点名虚拟现实技术之后，VR技术飞速发展，并真正成为一个新的科学技术领域。[2]VR的心理学应用也日趋成熟。

一、虚拟现实技术发展现状

（一）相关概念

在虚拟现实领域，提到VR，经常相伴出现AR、MR名词。另外业内还有两个不常见的名词CR、XR。

1.VR

VR是Virtual Reality的缩写，意译虚拟现实。也称灵境。具体是指基于电子计算机技术、现代仿真技术及最新传感器技术创造的一种崭新的人机交互手段，技术核心是数字化建模、计算机仿真与人机交互。虚拟现实的基本特性是沉浸·交互·构想（immersion-interaction-imagination,3i），是通过计算机数字模拟建立三维虚拟空间的数字世界，以及视觉、听觉、触觉、嗅觉、平衡觉等感官的模拟，让体验者如同身临其境沉浸其中，实时、没有限制地观察、感觉虚拟三维空间世界并与之互动。

1992年，美国国家科学基金的交互式系统项目的报告中对VR提出了系统描述，并探讨未来虚拟现实环境领域的研究方向。而5G、AI、高清显示等科技领域的高速发展，和计算机图形技术、仿真技术、传感器技术等的巨大进步，使虚拟现实的真实感、沉浸感和交互式体验、启发构思能力大大增强。[3]

2.AR

增强现实(Augmented Reality,AR)，又称扩增现实，是通过电子计算机技术把在现实世界的很难体验到的感官信息(视觉、听觉、触觉、嗅觉、平衡觉等)，模拟仿真后再叠加到真实世界，从而将虚拟信息被人类感官所感知，达到超越现实的感受体验。故而增强现实是一种把真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”集成的新技术。在AR中，虚拟物体和真实环境实时地叠加到同一个事件或空间中同时存在。增强现实技术包含了计算机三维建模、多媒体技术、实时视频显示及控制技术、多传感器融合技术、实时跟踪及注册技术、场景融合技术等新技术与新手段，提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的感受体验。

增强现实世界中，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、相互叠加，把真实世界与虚拟现实多重融合在一起，使体验者真实感受、准确感知。[4]

3.CR

影像现实（Cinematic Reality,CR），是谷歌（Google）、腾讯（Tencent）等提出的概念。与VR和AR技术的路径不同（但实际上原理相似），CR不是通过镜头显示或屏幕投射，而是通过光波传导棱镜设计，从多角度将画面直接投射于人眼视网膜，从而“欺骗”体验者大脑，将模糊物理世界与虚拟世界“读入”大脑。

CR技术设计的初衷，是为了实现更加真实的感官体验，通过信息直接与视网膜交互，以解决视野过窄、装备过重、眩晕感等问题。目前看来，完全实现CR的体验应用尚有重大技术难度，现仍处于实验研究阶段，并且Google不再强调区分CR和MR。[5]

4.MR

MR概念有些复杂，介导现实(Mediated Reality)、混合现实 (Mixed Reality)都简称MR，一些业内人士都常将其概念混淆。

介导现实(Mediated Reality,MR)，由“智能硬件之父”多伦多大学教授SteveMann提出，是采用视频透视技术，通过摄像头实时采集人眼所见“现实”世界并数字化，然后通过电子计算机计算实时渲染画面、实时叠加部分虚拟图像或完全叠加虚拟图像，脱离现实画面的束缚对影像进行删减修饰，计算机渲染后将新的现实感画面显示给人眼。[6]

混合现实(Mixed Reality,MR)，即增强现实和增强虚拟构建的混合世界，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。混合现实中，可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。如果一切事物都是虚拟的那就仅仅是单纯的VR；如果展现出来的虚拟信息只能简单叠加在现实事物上，那就仅仅是单纯的AR。MR技术的关键点，就是虚拟世界与现实世界实时进行交互和实时信息同步。[7]

一般情况下，人们常说的VR，普通人士常常指的是混合现实(Mixed Reality,MR)，专业人士常常指的是介导现实(Mediated Reality,MR)。

5.XR

扩展现实（Extended Reality,XR），是指通过计算机技术和外围设备产生的一个真实与虚拟组合的、可人机交互的环境。事实上，XR其实是一个总称，包括增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、混合现实（Mixed Reality,MR）等多种形式，包括所有从通过传感器输入的虚拟世界到完全沉浸式的虚拟世界的技术。更多的时候，人们在谈论VR的未来时，指的其实是XR。[8]

（二）虚拟现实技术发展综述

VR技术发展史，是一个典型的科幻预见启发科技创新的真实故事。

1.科幻启发萌芽（1950年之前）

1929年，Edward Link设计制造了飞行员训练模拟器LinkTrainer。LinkTrainer是电力机械设备，由连接机舱和飞行控制室的电机来修正整个“飞行器”的倾斜和旋转，由电机驱动装置模拟飞行姿态和飞行扰动。[9][10]

1935年，美国科幻小说家Stanley G.Weinbaum在小说《Pygmalion’s spectacles（皮格马利翁的眼镜）》中首次构想了以眼镜为基础，融合视觉、触觉、嗅觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念，是公认的最早的虚拟现实构想。[9][10]

2.早期探索尝试（1950-1990年）

1956年，Morton Heilig研制出多通道仿真体验系统Sensorama。Sensorama蕴涵了现代虚拟现实技术的基本思想和基本理论，被公认为是VR设备的始祖。[9][10]

1965年，Ivan Sutherland发表论文“UItimate Display”（终极显示）。[9][10]

1965年，M.W.Krueger研制出VIDEOPLACE系统。VIDEOPLACE可以产生一个虚拟影像环境，使体验者的图像投影能实时地响应或同步体验者的活动。[9][10]

1968年，Ivan Sutherlan（被公认为计算机图形学之父）研发出第一个基于计算机图形驱动的、带跟踪的头盔显示器HMD，是VR技术发展史上一个重要的里程碑。[9][10]

1985年，M.MGreevy设计研发出VIEW系统。VIEW系统是基于计算机模拟，让体验者穿戴数据手套和头部跟踪器设备，通过语言、手势等交互方式，构成虚拟现实系统。VIEW系统奠定了今天虚拟现实技术设备的结构体系。[9][10]

3.VR第一次浪潮（1990-2000年）

1991年，Virtuality推出Virtuality 1000CS；1993年，Sega公司推出Sega VR-1；1995年，Nintendo推出Virtual Boy，Forte推出VFX-1；1997年Philips推出Scuba VR,都曾轰动一时。[9][10]

但是当时计算机芯片计算能力有限，高清显示技术、3D渲染技术、运动跟踪技术以及动作检测技术均不够成熟，体验感受很差。比如其中最著名的 Virtual Boy（Nintendo），只支持红黑两色显示，分辨率最高仅有384x224，显示画面颗粒感非常严重。同时设备成本高昂，至使VR第一次浪潮如昙花一现，迅速转入技术等待蛰伏期。

4.VR相关技术与应用研发快速进展（2000-2010年）

2000年，美国首次开发出12万亿次计算的超级计算机，计算机软硬件技术再获突破；继二十世纪九十年代末，单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等方面获得长足进步的基础上，二十一世纪初，单片机在CPU处理与运算速度、增容、控制并行接口能力等方面再获巨大发展；三维视觉技术和视觉测量、感觉（听觉、触觉、嗅觉等）表现技术、力觉（力反馈）表现技术日趋成熟；VRML语言迅速发展并广泛应用；2002年，美国研发出原子级纳米晶体管；2003年，美国TI（德州仪器）推出升级芯片HD2+，其尺寸为0.85英寸，显示分辨率达1280×720、对比度达4000：1；2004年，日本开发出当时世界最快光通讯技术；2008年，无线通讯技术从3G升级到4G，无线移动最大速度可达1Gbps；2010年，MEMS（微机电）陀螺仪设备进入消费级电子产品。[11][12]

5.VR第二次浪潮（2010-2015年）

2012年，Oculus公司通过众筹推出Oculus Rift，VR设备价格降到300美元（约合人民币1900余元），吹响VR第二次浪潮号角。[9][10]

2014年，Google发布Google CardBoard，三星发布 Gear VR；FaceBook以20亿美元收购Oculus VR，进一步推高VR第二次浪潮。[9][12]

2015年，HTC的HTC Vive、Sony的PlayStationVR、Apple的View-Master也先后出现，直至VR新元年。[12]

6.VR时代（VR新元年，2016年至今）

2016年9月3日,中国国家主席习近平在杭州出席2016年二十国集团工商峰会开幕式,并发表题为《中国发展新起点 全球增长新蓝图》的主旨演讲，指出“以互联网为核心的新一轮科技和产业革命蓄势待发，人工智能、虚拟现实等新技术日新月异，虚拟经济与实体经济的结合，将给人们的生产方式和生活方式带来革命性变化。”重点点名虚拟现实技术与应用，开启VR元年序幕，VR技术及VR相关行业进入高速发展期。与传统技术相比，现代虚拟现实技术将用户的视听体验带到了一个全新高度，将传统平面显示方式全面升级成全景显示，大幅提高用户的沉浸感与体验的逼真程度；水平定位技术应用突破性进展，通过水平定位系统模拟用户的视角，同时通过高画质的全景展示达到逼真视觉体验；3D音效逼真模拟听觉，让用户身临其境；多方位多感觉的交互方式、结合手柄和其他力反馈设备操作、行为监测、语音识别等多种类的交互方式以提高体验。[2]

当前，VR设备主要有以下三种类型：

一是Cardboard类（又称手机盒子VR）：由谷歌工程师David Coz、Damien Henry设计，利用智能手机作虚拟现实显示平台的原型设备，成为了众多通用型手机VR头显的设计基础并风靡全球。其中代表产品有三星Gear VR、谷歌 day dream等。由于采用移动端显示硬件最为基础，仅能观看全景图片、VR电影和简易互动，体验效果仅为入门级。[9][13]

二是VR一体机类。具备独立处理器的VR头显（虚拟现实头戴式显示设备）。具备了独立运算、输入和输出的功能。功能不如外接式VR头显强大，但是采用无线通讯，自由度较高。此类产品体验效果比Cardboard类略好，优点在于高度整合。但仍仅能观看全景图片、VR电影和简单互动，体验效果也仅为入门级。[13][14]

三是PC端VR类。PC端VR类VR设备，理论上可以无限连接VR所有兼容外挂设备，使用者可以获得绝佳顶级体验感，逼真度、沉浸感、构想性、自主性、多感知性的交互体验是所有VR设备类型中最高的。但存在操作繁琐、价格昂贵、携带不便等困难。主要代表产品有Oculus Rift、HTC vive等。PC端VR类的概念只是暂定名称，目前华为、微软、video等各大科技公司正在努力应用5G通讯技术、CPU计算能力、优化显卡、云端技术，未来将逐步不再需要PC计算与驱动支持。[13][14]

现今，虚拟现实技术被广泛运用到了科研、医学、心理学、航空、军事等各领域中。如北京航空航天大学虚拟现实与可视化新技术研究室开发的虚拟环境系统；浙江大学开发的故宫虚拟建筑环境系统和国家重点实验室开发的桌面虚拟建筑环境实时漫游系统；加拿大魁北克大学布沙尔博士利用虚拟现实技术研究焦虑及相关心理治疗方案；美国加利福尼亚大学使用VR治疗PTSD；美军开发的空军任务支援系统和海军特种作战部队计划和演习系统，虚拟军事演习已经可达到真实军事演习效果。[15]

二、VR在心理学中的应用

VR的心理学应用一直非常活跃，国内外许多学者都在进行有益探索。近年来，特别是系统脱敏疗法、暴露疗法的理论引入VR应用，并在治疗恐惧症、焦虑症、PTSD等方面不断取得新成果，从而推动心理学理论进一步创新发展。

（一）系统脱敏疗法与暴露疗法

系统脱敏疗法（systematic desensitization），由美国精神病学家沃尔普创建，是建立在经典条件反射以及操作条件反射的基础上，治疗原理是对抗条件反射，治疗方法主要是诱导来访者缓慢地暴露出导致神经症焦虑、恐惧的情境，然后通过心理放松来对抗焦虑情绪，从而达到消除焦虑或恐惧的目的，逐步不再对有害刺激产生敏感病理性反应。系统脱敏的基本原则是交互抑制，即在诱发焦虑刺激物出现的同时引导来访者做出抑制焦虑反应，通过交互抑制虚弱化、直至最后切断不良刺激物与焦虑的联系。系统脱敏疗法因而也被称作交互抑制法。[16]

暴露疗法（exposure therapy），也称冲击疗法、满灌疗法（flooding therapy）或泛滥疗法，源于Foa和Kozak的情绪加工理论，主要分为想象暴露和实景暴露，不让来访者进行任何放松训练，直接想象或直接进入最恐怖、焦虑的情境中，然而最终最担心、最可怕的灾难或后果并没有发生，从而迅速校正病人对恐怖、焦虑刺激的错误认识，并彻底消除由不良刺激引发的习惯性焦虑、恐怖反应。[17]

系统脱敏疗法与暴露疗法的理论、治疗方法正好完全相反。

系统脱敏法是运用交互抑制原理对抗条件反射，对同一刺激用新的心理反应（放松）来替代旧的心理反应（恐惧焦虑），逐步加大不良刺激，直至给予最强恐惧刺激时病人仍然作出放松反应，从而达到治愈。系统脱敏法治疗过程需要经过一系列的系统训练，使体验者心理上逐步适应引起恐惧的情境。[16]

暴露疗法则完全不让来访者经过任何放松前奏，一开始就诱导来访者进入最令其恐惧的情境中。使用VR技术可以迅速加深、加重体验者的焦虑、恐惧程度。暴露疗法禁止来访者采取闭眼、堵耳、呐喊等逃避措施。即使来访者由于过分紧张害怕甚至出现昏厥的先兆仍鼓励来访者继续沉浸或想象恐惧情境。直至最后最担心、最可怕的灾难或后果并没有发生。[17]

（二）VR在心理治疗中的应用进展

VR通过计算机虚拟，创造出一个子人格给人类一个去扮演现实世界做不到或不能做、不能完成的事件的机会，并通过体验子人格在虚拟世界的活动影响到我们现实生活、当下的思想、心理和行为模式，广泛应用于治疗恐惧症、焦虑症、厌食症、注意缺陷障碍诊断、精神分裂症等心理疾病。

1.焦虑症的VR治疗

目前焦虑症的VR治疗，多采用系统脱敏疗法。焦虑症的来访者，在心理治疗室进入虚拟现实世界后，可以在童话般森林中、森林上空遨游，也可以在安全的、蔚蓝的海底遨游，甚至在柔和音乐中到广袤的外太空遨游；或者在虚拟现实世界里，与赏心悦目的、以假乱真的虚拟人进行沟通交流、打球运动、吃饭聊天；或者在暖洋洋的海边沙滩，舒适、安然地“度假”，与友好的虚拟朋友悠然漫步，享受美好的慢生活时光。

如果患者焦虑程度比较深，单纯融入、沉浸到虚拟世界当中不足以达到治疗效果，就需要心理医生的引导。在虚拟现实的情境或虚拟现实世界的背景下，心理医生通过专业心理学指引，可以使得心理焦虑能获得更好的治疗效果。

2.恐惧症的VR治疗

与焦虑症的VR治疗不同，学者们发现，恐惧症的VR治疗，系统脱敏疗法与暴露疗法均有较好的疗效。恐惧症的VR治疗，疗法主要取决于VR场景的真实感程度和来访者在VR场景的沉浸感程度，以及恐惧症的严重程度。

斯德哥尔摩大学与Samsung、Mimerse合作的一项研究表明，将体验者置于恐惧的焦虑源中，通过VR技术逐步使恐惧的目标源真实化、近距离化，最终使得体验者们能够直面来自现实世界中的恐惧；

VR暴露疗法中，心理医生与来访者一同进入虚拟场景。心理医生通过心理学言语引导、动作示范，帮助来访者直视自己的心理恐惧，同时给予心理上的矫正和治疗。在VR世界，即使暴露在非常逼真的恐怖现场，来访者也无人身安全危机，可以更加准确、直白地描述自己的感受，比传统心理学方法的回忆描述要更加准确，对心理医生的心理分析、矫正治疗也更有帮助。

现今，VR已经广泛运用于恐高、飞行、动物（如蜘蛛）、驾驶、幽闭、社交恐惧症等的心理治疗。

3.创伤后应激障碍症的VR治疗

创伤后应激障碍（Post-Traumatic Stress Disorder，PTSD），多发生于重大创伤性事件之后，如战争、严重家庭暴力或者大型灾难，很难在现实中再现能够让患者身临其境的场景。PTSD患者通常拒绝回忆那些创伤性往事，也不配合治疗，勉强配合也很难准确描述内心所想。所以传统心理学方法治疗PTSD难度比较大。

而VR结合心理学暴露疗法，不仅比较容易地重现重大创伤性事件的场景或更加接近当时真实的场景，PTSD患者通过沉浸事件的闪回，在关键时间和事件节点不断获得心理医生的引导和心理学支持、心理学治疗，从而获得心理成长和心理治愈。一些学者的研究表明，这比通过传统的心理学治疗方法要有效得多。

此外，虚拟现实在治疗厌食症、注意缺陷障碍、精神分裂症等心理疾病方面，也有相当满意的效果。[18]

（三）VR在心理行为训练中的应用进展

心理行为训练主要目的是提高受训人员的意志力和心理适应能力，塑造良好的心理品质，锻造团队协作精神。传统的心理行为训练主要有极限心理行为训练法、认知心理行为训练法、情境心理行为训练法和暗示心理行为训练法等。

与传统的心理行为训练不同，VR心理行为训练基本上没有危险性，也几乎没有训练伤发生率，VR心理行为训练具有极高的沉浸性和极逼真的身临其境感。VR心理行为训练主要有身心放松训练、系统脱敏训练、认知行为训练和极限心理行为训练等。

VR身心放松训练，主要通过情境带入遨游深太空、海底世界、原始森林、冰川大山、草原、沙滩、童话世界等虚拟场景或虚拟世界，辅以音乐背景，达到身心放松疗效；VR系统脱敏训练，主要针对训练者的高空恐惧、密集恐怖、广场恐怖、密室恐惧、死亡焦虑、物体恐怖（蜘蛛、蛇等）、特定场所恐惧（殡仪馆、墓地等）、黑暗恐惧等心理问题，在VR场景训练进行心理辅导及心理干预；VR认知行为训练将传统的认知训练和行为训练两部分合二为一，将体验者的认知矫正与行为矫正在VR体验过程中及时进行，并可让体验者预测自己的症状如何来临，从而控制情绪、战胜疾病；VR极限心理行为训练，主要是通过体验者在科学设定的生理、心理承受极限压力下接受训练、完成任务，以提升受训对象技能、体能、战术水平和生理、心理承受力“域值”的目的。教育训练理论认为：人的某种素质或能力，只有在需要这种素质或能力的相应环境和条件下才能训练出来。特种职业的对抗情况复杂、对抗程度激烈、对抗要素增多、对抗领域扩展、对抗危险增大等特点，决定了平时训练必须达到高强度，职业效能才能得到最大限度发挥。VR极限心理行为训练因而广泛应用于警察、军人等职业训练当中。[19]

三、未来趋势与展望

随着周边技术不断取得突破性进展，VR的虚拟环境、情境、场景的设计构造越来越逼真，沉浸性、构想性、自主性、多感知性交互体验越来越强。VR的心理学应用范围也将越来越宽广。

（一）VR与心理学结合，衍生发展新理论

VR沉浸性和真实感，将以前许多心理学专业研究在现实环境中很难呈现或者无法呈现的刺激，直接而简单地呈现出来。也就是，很多传统心理学理论使用VR技术支撑平台之后，取得了非常好的、甚至是出乎意料的惊人疗效。比如VR暴露疗法、VR系统脱敏疗法、VR认知行为治疗等等。

VR与暴露疗法相结合诞生的“虚拟现实暴露疗法”(virtualrealityexposuretherapy,VRET)已经成为专业名词、全新的理论。相信随着VR的心理学应用越来越广泛、越来越成熟，更多新的心理学理论孕育而生，更多的传统心理学理论也会有长足发展。

（二）VR的心理治疗范围，需进一步拓宽

当前运用VR技术开展心理治疗的心理疾病，热点多集中在焦虑症、恐惧症、自我接纳、创伤后应激障碍症、注意缺陷障碍诊断、厌食症、性功能障碍症、精神分裂症等，系统性不足，覆盖面不全。许多研究的甚至仅仅是治疗个案报道，缺乏必要的专业说服力。

从VR心理治疗的视野，传统心理问题、心理疾病的分类可能存在一些问题。笔者个人认为，在VR心理治疗远远没有达到全面成熟、技术规范之前，采用目前的传统心理问题、心理疾病的分类是合适的，也便于采用不同方法的共同深入研究和学术交流。

（三）VR的心理治疗技术，亟待专业规范

VR心理治疗的全球流行，一片繁荣的背后存在众多令人担忧的事实。一些心理治疗师对VR体验不多、不深，对VR技术了解不够，就匆忙给来访者做VR心理治疗试验；另一类人员甚至根本不具备心理治疗资质，打着VR心理治疗的旗号给来访者做VR心理治疗试验。目前看来，VR的心理治疗，确实必须要进行专业规范：

一是专业资质规范。VR心理治疗技术与传统的心理治疗技术有很大的不同，然而业内尚无“虚拟现实心理治疗师”“虚拟现实心理行为训练师”认证，是VR心理治疗的一大缺憾。“虚拟现实心理治疗师”“虚拟现实心理行为训练师”资质认证，应该具有心理咨询师相关专业资质，并接受专业的VR技术系统应用培训。考虑到VR心理治疗的专业特殊性，可设立一、二、三、D（纯VR技术员）四个等级。

二是专业指导语规范。心理治疗师在VR不同情境阶段、体验者心境变化、治疗过程节点等情形，应该使用专业的指导语帮助体验者。但目前在什么节点、使用什么VR心理治疗指导语尚无专业系统规范。

（四）VR心理行为训练，不能完全取代传统方法

VR心理行为训练以其沉浸性、逼真感，以及几乎没有危险性、几乎没有训练伤的发生率，往往获得令人非常满意的心理行为训练效果。但VR心理行为训练不是万能的，并不可以完全替代传统的训练方法。

一是目前VR心理行为训练不能完全取代攀岩类等心理品质与力量结合的训练科目。在攀岩类心理行为训练科目推进过程中，受训者在力量耗尽、遭遇极大困难等情形下，心理、心态的变化与心理成长，目前VR心理行为训练难以完全模拟。

二是VR心理行为训练过高的安全性，对特种职业受训人员存在极大隐患。比如与匪徒枪战，体验者在VR心理行为训练科目中中弹没有任何问题，最多重新再来一次。但在现实中，特警和军人，如果迁移VR心理行为训练的松懈、麻痹大意心理，就会遭遇极端危险。特种职业的VR心理行为训练，绝对不能替代传统的训练方法。