基于虚拟再现行为的VR空间认知研究

赵泽宇，吕 健，潘伟杰，侯宇康，付倩文

（贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳550025）

虚拟现实（virtual reality，VR）技术已经被广泛应用于生产和生活的众多领域。伴随着低成本、消费级别的头戴式显示器（head-mounted display，HMD）的普及，越来越多的VR应用程序被开发，且远远超出了娱乐和游戏的范畴，涉及广告设计、虚拟旅游、原型制作、医疗辅助、科学可视化、虚拟教育等方面［1］。然而，观看视差立体显示与观看真实场景的视觉机制的差异性会引起眼球晶状体调节与双眼辐辏的冲突［2］，从而给用户带来晕眩、视觉不适、视差等问题。大量研究表明，人在VR空间中对空间距离的认知和在真实空间中对空间距离的认知存在差异［3-5］。为了解决用户无法有效判断VR空间距离以及做出合理的交互动作等问题，国内外学者进行了大量的研究，如：Renner等［6］研究发现在虚拟环境中的主观感知距离通常比在真实环境中的短，丰富的虚拟环境信息如高质量的图像、精确的虚拟摄像机设置、地板纹理等都有助于用户对VR空间距离的判断；Siegel等［7］通过交互实验提出了一项通用的互动任务，以纠正被低估的距离；Yang等［8］通过控制硬件设计参数自然地协同在真实空间与VR空间的距离感知，并提出了一种新型的眼镜型显示器，用于近体空间的直接交互，在此基础上，他们又通过近体空间交互实验，提出了一种控制三维引擎内虚拟相机参数的方法［9］，可帮助HMD佩戴者精确感知距离并执行准确的交互。然而，上述方法仅适用于有限的硬件和软件，还不能应用于各种HMD设备、跟踪系统和三维可视化引擎。此外，在研究范式、变量选取和研究内容上，尚未对虚拟环境下的空间制作、人机关系、自我中心距离知觉等方面作出系统的总结。

基于以上分析，为得到适用于虚拟交互空间的认知机理与距离判断机制，笔者提出了基于虚拟再现行为的知觉匹配法，并设计、开展了3组实验，分别对虚拟环境下的空间大小认知、自我中心距离认知与尺寸-距离关系认知进行了实验与分析，旨在探究人在虚拟环境下的空间认知特点，为VR空间制作与虚拟人机交互提供理论支持。

1 自我中心距离知觉

自我中心距离知觉是指观察者对从自身到外界某一物体之间的距离的知觉，人们通过认知所预估的距离称为知觉距离。在真实空间中，知觉距离一般是实际距离的87%～91%，而在VR空间中，知觉距离只有实际距离的41%～72%［18］。人的深度认知或距离认知由多种因素的相互作用决定：通过眼睛的生理结构来识别空间深度的因素包括双眼视差、双眼辐合、水晶体调节及运动视差等；通过物理特征来识别空间深度的因素包括焦点、透视、遮挡、光影、色彩、对比度及相对运动等［19］。由于测量方法的不同，观察者获得的自我中心距离知觉可能不同。常用的测量方法有口头报告法［10-12］、知觉匹配法［13-15］以及盲走匹配法［16-17］，3种测量方法的测量细节和优缺点如表1所示。以往的研究均是针对虚拟环境下人感知到的空间距离进行估测，并没有将VR空间与真实空间有机地连接起来，以达到虚拟对现实的知觉再现。基于此，笔者提出基于虚拟再现行为的知觉匹配法，以研究虚拟环境下人对空间大小和空间距离的认知倾向、认知偏差以及认知准确性等，进而探讨人在虚拟环境下的空间认知特点。

2 基于虚拟再现行为的知觉匹配法

本文提出的基于虚拟再现行为的知觉匹配法是将真实空间作为标准刺激，VR空间作为比较刺激，搭建真实环境与虚拟环境之间的知觉匹配模型，通过匹配与真实空间相似的VR空间来明确被试者对空间的认知能力。实验期间被试者对真实空间与VR空间的实际尺寸未知，仅依靠认知行为进行空间记忆和判断。

在实验过程中，基于真实空间大小，VR空间可按照一定的刻度和阈值进行等级变化，其数值（刻度值和阈值）由基于实际空间大小的增减值来表示，如：设定阈值为±100 mm，刻度为50 mm，则VR空间可分为-100，-50，0，50，100 mm五个等级。等级的变化分为下降和上升系列。下降系列是指VR空间由最高数值等级（最高等级）向最低数值等级（最低等级）进行下降变化，且顺序不可逆，上升系列则反之。首先要求被试者对真实空间的尺寸、距离进行记忆，然后依照先下降系列后上升系列的等级变化过程，用口头报告的形式，对所示的VR空间依次进行大小判断（如：小/相同/大），之后将每名被试者判断变化前后的2个等级（A、B）所对应的刻度值（a、b）的平均值作为相应系列的测定值。定义下降系列测定值为L，上升系列测定值为U。图1为基于虚拟再现行为的知觉匹配法流程。

表1 在VR空间中自我中心距离测量方法Table 1 Measuring methods of egocentric distance in VR space

图1 基于虚拟再现行为的知觉匹配法的流程Fig.1 Flowchart of perceptual matching method based on vir-tual reproduction behavior

将下降系列中所有测定值的平均值作为上限值Vmax，上升系列中所有测定值的平均值作为下限值Vmin，上限值和下限值的平均值作为判断值Vjug。Vjug可表征被试者的认知差异：若Vjug＞0 mm，表明被试者在虚拟环境下易将大于真实大小的数值错误地估算为真实大小，说明被试者具有认知低估的倾向；若Vjug＜0 mm，则表明被试者具有认知高估的倾向。上、下限值之差可表征认知判断的准确性，上、下限值与真实空间大小R的比值可构成虚拟环境下的认知偏差区间Z。若令Vjug=0 mm，即假设被试者在认知上不存在高估和低估的倾向，只考虑被试者在对真实空间大小的认知过程中所表现出来的认知偏差，那么被试者在相应维度上的标准认知偏差度P可由方程组（1）求得：

式中：N为被试者人数；i为被试者编号；Li为被试者i在下降系列中的测定值；Ui为被试者i在上升系列中的测定值；α为认知偏差度上限；β为认知偏差度下限。

3 VR空间认知实验与分析

根据基于虚拟再现行为的知觉匹配法，首先，通过空间大小认知实验明确VR空间与真实空间在不同维度上的认知关系与判断标准；然后，通过自我中心距离认知实验进一步探讨在VR空间中深度的自我中心距离认知机理；最后，通过尺寸-距离关系认知实验分析尺寸参考对自我中心距离认知的影响。

3.1 VR系统与实验对象

利用Rhinoceros对VR系统进行建模，用Unreal Engine 4完成实验平台搭建，采用HTC Vive作为输入设备。实验对象为10名具有VR系统开发经验的研究生（6名为男性，4名为女性）。被试者视觉功能正常或矫正正常，均为右利手，年龄为18～30岁。为了提供与真实空间相同的空间感，改变HMD的瞳孔间距来对应不同被试者的瞳孔间距。

3.2 空间大小认知实验

3.2.1 实验空间布置

在空间大小认知实验中，实验空间分为VR空间和真实空间，如图2所示，其平面图如图3所示。真实空间的顶面高度为2 485 mm，宽度为2 760 mm，深度为6 000 mm，视点位置与该空间底部的垂直距离为600 mm。在VR实验室中再现了与真实空间相同的VR空间。真实空间与VR实验室相邻，被试者在比较2个空间时可以自由移动。在VR空间中，为保证被试者在判断空间大小时没有多余线索，省略了文字、版面、导视等易判断形变的对象。VR空间的高度H和宽度W可以±300 mm的阈值、50 mm的刻度进行13个等级的划分，深度D则以±600 mm的阈值、100 mm的刻度进行13个等级的划分。

图2 空间大小认知实验的实验空间Fig.2 Experimental space in space size cognition experiment

3.2.2 实验方案设计

1）实验开始前，被试者戴上实验设备，静坐于无任何显示的VR实验室内10 min，以适应VR系统与相关设备。

2）为了提高被试者在实验空间内的真实感与存在感，被试者均采用站姿来感知实验空间，并根据被试者自身眼高选取HMD眼高。实验期间被试者可以环顾四周环境来寻找参照物。

3）首先向被试者展示真实空间，被试者对真实空间进行10 min的空间记忆，然后转移到VR实验室。VR空间大小认知可从高度、宽度、深度上进行。被试者用“低/相同/高”“窄/相同/宽”“近/相同/远”分别对VR空间进行大小判断，要求被试者每次判断时长tR1≤5 s。

图3 实验空间平面图Fig.3 Plan of experimental space

4）每名被试者各进行2次对VR空间高度、宽度、深度的认知实验，每次实验包含上升与下降系列两个子实验，共进行12次实验。记录并计算各个被试者分别对高度、宽度、深度认知的平均实验时长t。

5）实验结束后，采访并记录每名被试者的判断根据。

3.2.3 实验结果分析

通过式（1），分别对高度、宽度、深度三个维度上的测试数据进行求解，得到各维度尺寸的上、下限值与判断值，结果如图4所示。

图4 VR空间各维度尺寸的上、下限值与判断值Fig.4 Upper/lower limit values and judgment value of size in each dimension of VR space

在对VR空间的高度认知上，其判断值Vjug-h=-5.625 mm，认知偏差区间Zh∈[-2.1%，1.7% ]，标准认知偏差度Ph=±1.9%。由此可知，在VR空间中，人在进行高度认知时，更倾向于将小于实际高度的值错误判断成实际高度，形成对实际高度的小幅度高估。在Komiyama等［20］的研究中，人对实际空间高度的认知偏差约为±2%，说明人在VR空间中基本再现了与在真实空间中相同的高度感。

在对VR空间的宽度认知上，其判断值Vjug-w=-2.5 mm，认知偏差区间Zw∈[-1.4%，1.2% ]，标准认知偏差度Pw≈±1.4%。同对高度认知相似，从判断值与认知偏差区间可以看出，人在进行宽度认知时，也倾向于将小于实际宽度的值错误判断为实际宽度，形成对实际宽度的小幅度高估，但优于高度认知感。与Komiyama等［20］研究得到的人在真实空间中对宽度的标准认知偏差度±（1%～2%）相比可知，人在VR空间中可实现对宽度感的再现。

在对VR空间的深度认知上，其判断值Vjug-d=23.75 mm，认知偏差区间Zd∈[-2.9%，3.8% ]，标准认知偏差度Pd=±3.4%。不同于高度认知与宽度认知，被试者在VR空间中对深度的认知更加倾向于将大于实际深度的值错误判断为实际深度，形成对实际深度的低估。且与高度和宽度认知相比，宽度的标准认知偏差度较大，认知偏差区间扩大，认知精度也大大降低。从实验过程来看，很多被试者在对深度进行认知时，平均实验时长t整体上高于对高度与宽度的认知时长（如图5所示），表明被试者在认知深度时较为困难。

图5 VR空间各维度尺寸认知的平均实验时长对比Fig.5 Comparison of average experiment duration of size cognition in each dimension of VR space

由上文分析可知，在人对VR空间大小的认知上，对深度的认知表现出明显的高估倾向，且具有较大的认知困难。从被试者的采访记录来看，被试者在对空间大小进行认知时参照了某种标准，比如参照地面瓷砖的大小、旁边房门的大小等，说明尺寸是很重要的参照。为进一步研究人在VR空间中的深度认知，分别在无任何参照和仅有尺寸参照两种情况下进行距离认知实验。

3.3 自我中心距离认知实验

3.3.1 实验空间布置

在自我中心距离认知实验中，通过判断圆形目标物件在空间中的位置来研究人在VR空间中的自我中心距离知觉。实验空间为空旷的真实空间与VR空间，并排除一切参考物。被试者静坐于空间中央。依照我国成年人人体坐姿标准尺寸，选取第50百分位的男性和女性的标准眼高1 150 mm作为HMD眼高。视野范围选取眼睛的最佳转动区。假定标准视线是水平的，设为0°，则水平视野可确定为左右60°区域内，垂直视野可确定为水平上方25°与下方30°区域内，坐姿的自然视线低于视平线15°。视野范围及圆形目标物件的放置位置如图6所示。以视点位置为原点，建立空间直角坐标系，其中：X方向为视平线方向，以1 500 mm处为视觉中心（1 500 mm为人处理远看任务的推荐视距），按其左侧以250 mm的间隔、右侧以1 000 mm的间隔标定X方向的6个位置；Y、Z方向上的位置则根据视区进行标定，分别为L、C、R和U、C、D。依照此坐标位置定义圆形物件的空间位置，并以“xyz”的形式表示，其中：x=1，2，…，6，y=L、C、R，z=U、C、D。VR空间内圆形物件所处的每个空间位置，均可以±200 mm的阈值、50 mm的刻度在X方向进行9个等级的划分。圆形物件半径为100 mm。。

图6 视野范围及圆形目标物件的放置位置Fig.6 Field of view and placement of round target object

3.3.2 实验方案设计

1）被试者在适应VR系统与相关设备之后，首先在真实空间对圆形物件的空间位置进行1 min的记忆，然后迅速转移到VR空间，根据圆形物件所处的空间位置的等级变化，用“远/相同/近”对该位置进行距离判断，要求被试者每次判断时长tR2≤5 s。

2）VR空间中圆形物件的所有空间位置如图7所示，共有38个空间位置。每名被试者分别对不同空间位置下的圆形物件进行2次实验，每次实验包含2个子实验（上升与下降系列），共进行76次实验。

3.3.3 实验结果分析

考虑到实验中圆形物件的所有空间位置均可看作人在处理远看任务时视觉中心位置的延伸，将视觉中心到视点位置的距离定为真实视距R，即R=1 500 mm。由式（1）求得圆形物件在VR空间各个位置的自我中心距离的上限值Vmax-e、下限值Vmin-e、判断值Vjug-e以及标准认知偏差度Pe，如图8和图9所示。图中各个位置可以简单划分为：正前方、正下方、正上方、右前方、右下方、右上方、左前方、左下方和左上方，且左、右方向统称为侧方向。

图7 VR空间中圆形物件所有空间位置的示意图Fig.7 Diagram of all spatial positions of round object in VR space

图8 圆形物件在VR空间各位置的自我中心距离测定值Fig.8 Measured value of egocentric distance of round object at each position in VR space

图9 圆形物件在VR空间各位置的标准认知偏差度曲线Fig.9 Curve of standard cognitive deviation degree of round object at each position in VR space

从图8所示的Vjug-e的分布状态可以看出，人在VR空间中的自我中心距离认知大多存在距离被低估的现象（大部分空间位置的Vjug-e＞0 mm）。而随着圆形物件所处空间位置的改变，可以发现正前方区域内的Vjug-e均趋近于0 mm，波动幅度也相对较小，明显优于其他区域，且在中心偏前位置3CC处的自我中心距离认知最优。从上、下限值的差异来看，侧方向上的认知偏差较小，在大多数位置上差异值小于20 mm，表明被试者在判断侧方向距离时具有更高的确定性与准确性。从图8中还可以看出，左方向区域数据分布状态与右方向区域相似，但其Vjug-e的分布较为离散，认知偏差区间也相对较大，表明对于右利手被试者来说，对左侧区域内物件的自我中心距离认知要劣于右侧区域。从图9中可以更清晰地看出：侧方向区域的Pe明显优于正方向，基本为±（0%～1.0%）；在侧方向上，侧下方的Pe趋于稳定，侧上方的Pe达到峰值；在正方向上，Pe基本为±（1.0%～1.2%），且在正前方时较为稳定，在正上方则达到峰值。

由此可知，在无任何参照物的情况下，对于在VR空间中的自我中心距离认知，侧方向区域内各空间位置的Pe整体优于正方向约1%，而右侧区域则更利于右利手用户进行自我中心距离的判断，且在正前方与侧下方区域表现出更加稳定的认知偏差，Pe的波动幅度小于0.5%。上方区域内Pe达到峰值，表现出不稳定性，说明上方区域不易于空间距离的认知。

3.4 尺寸-距离关系认知实验

3.4.1 实验空间布置与实验方案设计

由空间大小认知实验可知，尺寸参考在对空间深度认知中起到了关键性作用。为了了解尺寸参考对距离认知的影响，将自我中心距离认知实验中的圆形物件替换为圆柱形物件，圆柱的轴线与空间X轴平行，圆柱底面的圆心与相应的空间位置重叠，圆柱半径为100 mm，长度为2 500 mm，如图10所示，以此构建尺寸-距离的关系。被试者通过判断圆柱底面到自身的水平距离来判断在VR空间中圆柱形物件所处的深度。空间布置、等级设置等都与自我中心距离认知实验相同。圆柱底面位置也以±200 mm的阈值、50 mm的刻度在X方向进行9个等级的划分。实验方案与自我中心距离认知实验相同，共进行76次实验。

图10 替换圆形物件的圆柱形物件Fig.10 Cylindrical object used to replace the round object

3.4.1 实验结果分析

通过式（1）求得圆柱形物件在VR空间各个位置的自我中心距离的上限值Vmax-c、下限值Vmin-c、判断值Vjug-c以及标准认知偏差度Pc，如图11和图12所示。从图11中可以看出，尺寸参考的存在使上、下限值之间的差异大幅度缩小，提升了被试者的判断力。在上方与下方区域内，Vjug-c更加趋近于0 mm，前方区域的Vjug-c较为离散，这是因为在上、下方区域内被试者更易于观察圆柱的尺寸变化，由此更加说明尺寸参考对距离认知的重要性。

图11 圆柱形物件在VR空间各位置的自我中心距离测定值Fig.11 Measured value of egocentric distance of cylindrical object at each position in VR space

对比Pe、Pc曲线可以发现：Pc更为稳定，大多为±（0.5%～1.0%）；正方向区域内的Pc明显降低，不过正上方与正下方区域的Pc为±（0.5%～1.5%）。综合而言，在有尺寸参考的情况下，正方向区域的Pc降低了约1%。

图12 圆形和圆柱形物件在VR空间各位置的标准认知偏差度曲线的对比Fig.12 Comparison of standard cognitive deviation degree curves of round and cylindrical objects at each position in VR space

由此可知，尺寸参考可以提升人对VR空间中距离的判断能力，并在一定程度上加强了人对正方向区域空间距离的认知能力，尤其是提升了人对上、下区域空间距离判断的准确性。但从整体上看，人对侧方向上的距离认知仍然优于正方向，且正上方与正下方区域依旧不利于距离判断。

4 结论与未来工作

针对虚拟环境下人的空间认知问题，从VR空间对真实空间的再现性角度，提出了一种基于虚拟再现行为的知觉匹配法，构建了VR空间与真实空间的认知关系，设计并开展了相应的空间认知实验，得出以下结论：

1）在对VR空间大小的认知上，分别以±1.9%，±1.4%的标准认知偏差度基本再现了与对真实空间相同的高度感和宽度感，但在深度感的认知上明显存在距离被低估的倾向，其标准认知偏差度约为±3.4%；

2）在VR空间中，人的自我中心距离知觉呈现低估倾向和不稳定性，其标准认知偏差度为±（0%～2.5%），且波动幅度高达2%；

3）人对侧方向区域内的距离认知优于正方向，2个方向上的标准认知偏差度大约相差1%，

4）可通过添加尺寸参考来提升人们对正方向区域内空间距离的判断能力，并且可以将Pe优化为±（0.5%～1.5%），有效提升人们在VR空间中对距离的预估能力。

实验发现，人们在VR空间中的距离认知受多方面因素的影响，并且通过交流发现，被试者在实验中缺乏存在感。可通过添加听觉与触觉反馈等来提升被试者在虚拟环境中的存在感，研究听觉、触觉等对自我中心距离知觉的影响。眼动和脑电设备作为采集人类认知行为数据的仪器，可更加客观有效地获取人类的认知行为信息，提升实验结果的准确性。可将眼动与脑电设备应用在空间认知数据的采集上，这是今后进一步的研究方向。