基于VR技术的孤独症儿童康复服务虚拟空间设计

高宇童 李莉 王文萌

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）12-0148-03

引言

孤独症又称自闭症，是发生于儿童早期的一种涉及感知觉、情感、语言、思维和动作与行为等多方面的发育障碍，也是广泛发育障碍中最为常见和典型的病态症状。我国自闭症儿童群体逐年递增，危及数百万家庭和数千万家庭社会成员的福祉。本研究以“VR+健康”拓展虚拟现实应用空间为切入点，基于认知行为疗法，为自闭症儿童早期干预和融合教育提供支撑，有效降低了心理障碍对其成长发育的不良影响，减轻众多家庭困苦和社会负担。国外学者Mayes及其同事研究了1033名自闭症儿童（651名高功能自闭症儿童和382名低功能自闭症儿童），发现41%的儿童报告有特殊的心理恐惧源（例如刺激性声音、公交街道场景等）。Morag为参与的儿童设计了专门的VR虚拟康复空间帮助儿童克服对特定社交场合的恐惧心理，以及Daniel在他的论文中提到奖励行为有助于自闭症儿童主动克服过敏性音源的心理障碍。

VR技术有安全性高，延展性强，定制性灵活等诸多特点。因此通过虚拟技术展开对自闭症儿童的研究与设计具有重要意义。

一、孤独症儿童康复治疗发展与创新

据《中国自闭症教育康复行业发展状况报告3》的数据表明，我国12岁以下患兒多达200余万，且年增长率达到10%。同时，平均100名孤独症儿童里，只有2名儿童能够得到专业的康复训练。

在上个世纪末，随着人们对自闭症儿童的关注提高，我国有组织的自闭症儿童康复也在逐渐兴起。许多城市的特教机构逐渐开展对自闭症儿童的康复教学训练，也有一些政府承办和民营组织专为自闭症儿童设立了康复机构。它们均在推动自闭症儿童康复事业发展的进程中发挥着重要和积极的作用。

随着高性能电脑、手机的发展，人们对数字化的交互方式有了更广泛的接触。同时也大大降低了电子产品的传播与应用门槛，在可预见的未来，数字化的辅疗手段将成为未来自闭症儿童康复研究中的重点，为更多的自闭症儿童提供康复服务。虚拟现实技术为自闭症谱系障碍（ASD）儿童提供了一种易获得和高互动的媒介，使他们能够在个性化、可控和安全的环境中学习和实践技能。

然而，VR技术在自闭症儿童教育中的应用还处于起步阶段，大部分相关康复教育工作者，不具备设计开发孤独症儿童虚拟康复空间的技术。

二、VR虚拟空间辅疗手段应用与分析

虚拟现实技术在教育领域一直备受关注，尤其是在虚拟仿真认知环节。基于VR技术的虚拟教学系统，有利参与者在系统设计的VR虚拟场景中对显性知识进行直观的三维理解，通过反复演练强化对规定知识的理解和掌握，有利于提高教育质量和效果。此外，虚拟现实允许重现一个社会情境，以帮助理解它是如何运作的。

应用于自闭症学生的沉浸式虚拟现实环境的设计应该实现两个主要目标：一方面是表情和行为个体现实意义，另一方面是社会意义。在第一个方面意味着虚拟空间要对自闭症儿童的行为起到正向引导，减少其刻板行为、特定现象恐惧心理、暴冲等现象;第二个方面要着重增强自闭症儿童与他人的交流，帮助他们走出自闭。同时，自闭症儿童空间设计应遵循以下三个原则：安全原则，认知探索原则，趣味性原则。VR虚拟空间能非常方便地达到上述三个原则。安全原则体现在VR交互空间多为室内交互，并可以通过警示提醒、正向引导等手段提升儿童危险意识;认知探索原则可以通过详细且系统的流程以及超越现实的丰富视听展示手段来实现;趣味性原则可以通过模拟儿童喜欢的形象，以及奖励机制大大提升儿童的主动交互兴趣。

目前已经有部分国内外的研究人员设计了针对具体自闭症儿童的虚拟现实暴露疗法（virtual reality exposure therapy，VRET），是将传统暴露心理疗法通过软件模拟，并且在视听体验上最大程度还原行为治疗效果的一种新兴技术。也是经典的现实情境暴露疗法的替代性治疗形式。虚拟现实整合了即时计算机图形学、身体感觉传感、视觉成像技术，给参与者提供近似真实的、可以沉浸和交互作用的虚拟环境。主要针对视觉与听觉方面的康复强化。

但随着计算机图形技术的飞速发展，以及更好的虚拟引擎的研发，孤独症儿童康复虚拟空间能通过新技术的形式对VR交互体验带来极大的提升。

三、基于VR虚拟技术的孤独症康复服务设计应用

（一）实验准备阶段

1.VR开发的软硬件选择

目前市面上常见的VR开发引擎主要有两款Unity3D和Unreal4，两款软件都具有较强的研发扩展性，并且已经有学者通过它们开发过为孤独症儿童的虚拟康复空间。为文章的实验提供了先导性的论证。为在最大程度上保证康复空间的真实性，减少参与者在基础VR设备时的不适，选择了光影效果渲染更加真实的UNreal4引擎。

在VR头显硬件选择上，有VR手机投屏，VR头显一体机以及连线式VR头显。其中：VR手机盒子最为廉价，成像效果差以及交互动作难以实现;一体机最为方便，虽然部分产品也会配备控制器，但性能一般用来观看VR电影较为合适。连线式VR眼镜虽然较为笨重，但是性能强劲视觉表现能力强，往往会配套多功能遥控器手柄。可开发性高，适用于开发互动性强，趣味性高的孤独症康复空间设计。其中我们选择兼容性强的HTCvive作为具体使用硬件。并且该套设备可以通过两个定位器来实现一定区域内的自由活动和高度判断。

2.参与本实验的孤独症儿童

在所有自闭症儿童中有高功能孤独症儿童和低功能自闭症儿童的区别，高低之分体现在自闭症儿童是否有严重的智力障碍、语言能力是否严重缺失。考虑到自闭症儿童的初期配合程度，文章选用的均为高功能自闭症儿童，并且排除具有光学性癫痫以及3D眩晕症的人群。

3.评测量表选定

改良笑脸评定量表：采用自我报告的模拟量表，采用图片反应法，五张脸代表情绪表达，并附有简短的描述性文本。同时通过颜色能使参与者快速区分表情之间的关系。

在实验结束后，参与者根据自身体验进行选择一种评价。该体验评价采用5分表形式，评分从1-5分别代表：不适应且不喜欢、难以适应、比较适应、快速适应、能适应且很喜欢，如图1。

（二）实验设计

在实验开始时，我们会先播放较为舒缓的VR视频，让参与者适应VR眼镜，视频时长为5分钟。

随后打开起始交互空间，会通过UI设计进行简单的VR控制器操作引导。如图2，主要分为传送与点击。可以通过左手传送，右手点击。传送功能设置为抛物线传送，当采取抛物线方式传送时，抛物线落点横定在地面区域。由于在VR虚拟空间内，如果两个可以移动到的区域出现了强烈的高度差，则会对参与者造成认知错误，因为现实世界中很难创造出这样的环境。并且在抛物线方式传送时，会对墙面、柱体等一定高度遮挡进行计算处理，当高度高于1M的障碍会设定为抛物线无法从上方越过。参与者的右手控制器会在虚拟空间内射出一条长度为5米的光线，用来辅助瞄准所选择的按钮、物体、开关等，从而实现多样的交互。

在起始房间内设有特定的关卡选择按键。参与者可以通过控制手柄来选择自己想要加入的房间，文章根据VRET和CBT（cognitive-behavior therapy认知行为疗法）理论一共设置了三个交互空间：

1.康复场地漫游空间，如图3、4

我国大部分城市的自闭症儿童并没有独属于其群体的特教机构，往往和其他障碍儿童混合在一起接受护理和康复机构。同时社会也很难倾注大量资源来为孤独症儿童设计完善且全面的康复教育空间。如图3，为武汉某自闭症儿童康复中心的实际情况。场地为武汉市某工厂旧址的职工活动中心改造而成。由图3显示，其内部环境较差，虽然专门绘制了彩色墙绘，但是总体空间依然阴暗单调。而虚拟空间交互时，无需特别大的实际空间，并且可以做到更加丰富的体验。因此无论是从节省成本的角度还是提升自闭症儿童康复效果的角度，设计一款孤独儿童虚拟康复空间变得尤为重要。

康复漫游场地按照1：1的实际大小来进行建模。根据现实中对于自闭症儿童康复空间进行了模拟设置，可以用来评测自闭症儿童对空间内的具体元素的喜爱程度，分别设置了前厅接待区、沙地沙盘区、伙伴交互娱乐区、生活技能模拟区等。但该场景主要以漫游参观目的为主，并未按现实功能进行过多的交互设计。其中地面，墙面和大块物体均设置了玩家碰撞，防止自闭症儿童在体验过程中发生肢体穿越和穿透模型的现象，降低参与体验。保证自闭症儿童尽量以设计好的动线路径来进行游览参观。康复漫游场地整体设计整体立面简洁，色彩明亮，并且墙面绘有卡通图案，为自闭症儿童提供了舒适的空间、趣味的体验。

2.海边交互空间

许多孤独症患儿对特定生活音源具有过激反应，这些刺激音源进一步导致他们难以参与到正常的社会活动中，进入更加自闭的恶性循环。因此，海边交互空间旨在通过游戏的方式来帮助自闭症儿童克服过敏音源。这些刺激音频通过对患儿的老师与家长进行沟通，并且专门录制。很多孤独症儿童的过敏音源可能不止一个，比如害怕汽车鸣笛声，儿童合唱声，以及同龄人的大声尖叫等，如图5。

为自闭症患者开发的康复游戏的一个关键特征：以故事与任务来进行引导和指导型的互动，它提供了长期目标。在单独设计的海边交互空间中，孩子们会看到一个游戏内的角色（NPC，non-player character非玩家角色），他被设计成一个可爱的海洋公仔形象，负责为参与者提供交互任务指导。玩家必须帮助他寻找和解救分布被困在魔法海滩环境中海洋泡泡里的生物。在戳破有些海洋泡泡时发出的声音可能会让他们感到不安。每解救到一个生物，玩家将获一定的分数，分数越高对于自闭症儿童的表现评价越高。这种奖励系统的方法已经包含在自闭症患者的严肃游戏中，用于吸引玩家并鼓励他们在游戏中表现出色。

将包含刺激声音的海洋泡泡用不同的颜色来表示，而不包含刺激音源的海洋泡泡为最基础的蓝色。当玩家与包含他们恐惧刺激音源的泡泡互动时，分数奖励会进一步加强。当这些生物被成功捕获时，玩家将获得额外的分数奖励。这个额外的奖励旨在鼓励孩子主动与厌恶的声音互动。在受试儿童完成戳泡泡的任务后，被释放的动物动物会说“谢谢你”等正向激励语言。

3.模拟购物空间

许多孤独症儿童具有强烈的社交障碍，而日常购物活动中难免发生与人交流、排队、求助导购寻找商品等人际交互行为。因此，购买日用品这一生活中最常见的生活行为对于孤独症儿童来说也成为难题。

为了帮助孤独症儿童提前适应购物环境，文章建立了一个虚拟购物空间。内含可以通过VR控制器来购买商品的货架多个，以及一个收银员角色（NPC）。收银员形象通过最新的MetaHuman技术制作，可以进行简单的语言、表情、肢体动作交互。虚拟形象逼真，且动作流畅，以最大的真人仿真状态与参与者进行沟通和交流。以期强化参与者的互动能力。虚拟交互空间在此环节具有高安全性，无变动风险，交互环节全部可以设计的优点。可以在最可靠的環境下帮助儿童提前适应环境，如图6。

（三）实验流程

在实验开始前事先与辅导教师沟通，优先派出经常接触并喜欢接触手机电脑等电子产品的儿童参与实验。并会邀请所在机构的辅导教师率先对每个空间进行体验和游览，检测每个互动空间是否包含对自闭症儿童的身心有损害的信息与环节。

在三个空间中，首先通过主界面空间按钮摆放位置和语言引导，让参与者依次游览三个空间。三个空间的难度逐步递增，在第一个康复漫游场地空间中，并未设置出走动、传送和开门之外的互动环节。主要目的为让参与儿童首先适应VR空间，该空间活动范围较大可供其充分游览适应，该环节设计体验时间为3分钟。

在第二个海边空间中，互动环节设置较为简单，且玩家需要做的任务只有寻找声音气泡和戳破声音气泡。以便自闭症儿童能對动手互动环节有了初步的了解，并且通过分数奖励的方法使其克服恐惧音源，该环节设计体验时间为2分钟。规定时间内，获得的分数越高，对其能力评价也越高。

而第三个空间实验流程较为复杂，设置了多个互动环节，受试儿童首先要开门走进事先设计好的商店空间，之后要去去货架上挑选自己想要的货品，最后要走到柜台前完成支付货款的任务。以模拟真实互动的环节帮助自闭症儿童减缓社交恐惧的症状。该环节设计体验时间为3分钟。

（四）实验结果

本次设计改善通过虚拟技术多方面改善了孤独症儿童康复方法不足的问题，大部分孤独症儿童对这些虚拟空间并未出现强烈不适应情况。借由VR控制器传送移动选择一片活动范围，再通过设定空间内走动，允许用户去到任何想去的地方，这样的体验方式让虚拟空间可以被参与者自由探索，充分满足了参与者的好奇心，更为用户带来高质量的体验感受。将整体VR交互空间的可探索率提升到最高，充分利用每一块空间。

所有受试儿童在全部试验流程结束后根据笑脸3评测量表对本设计进行评分，除一名戴上VR头显后不敢睁眼的儿童外，其他儿童的评价均为5分。应该值得注意的是：本次评分的准确性有待考量，此结果不排除包含辅导教师对患儿平时进行的礼貌性教育的影响。除总体性评价外，我们还咨询每位儿童对三个空间的分别喜爱程度，大部分儿童都选择了第二个海边互动空间，因为其较为卡通的设计风格以及游戏化的体验流程，都更受儿童的喜爱。

在父母与教师的评价中，该套虚拟康复交互软件在一定程度上解决了自闭症儿童难以外出与他人交流沟通的难题。可以在足不出户的情况下为患儿铺好踏向社会的第一块砖。虚拟空间，同时，在进行数据整合的时候，有相关学者针对第二个海洋实验环境的结果指出：严肃游戏的康复效能固然突出，但也应注意到游戏的成瘾性对儿童的影响，不能使得自闭症儿童克服特定恐惧却又陷入游戏游戏依赖。综上所述，本次实验利用虚拟技术在自闭症患儿康复辅疗环节中能起到补充和拓展的重要作用。验证了国内外研究对于虚拟技术辅助疗法的可行性。

结论与展望

对弱势群体的关怀与设计与我们这个时代而言是一个循序渐进的主题，孤独症儿童的心理康护要结合时代先进技术，创新地开发与应用其价值。

孤独症在儿童群体中逐年高发，但是对其护理较高、康复手段较少的问题迟迟没有一个良好的解决方案，基于虚拟现实技术的进步，为更多的孤独症患儿提供了心理康复的可能性。文章用虚拟现实技术的方式为自闭症儿童提供了定制式的设计方案，以虚拟的空间的多种多样的视听表现来完成现实生活中难以实现的康复交互体验。VR头显的尺寸与重量也存在着改良的空间，如果该项技术广泛普及，长期配搭VR头显进行辅疗，对自闭症儿童的头部和颈椎的发育时候是否有影响，以及佩戴的时长频率对其发育影响的程度也没有想关研究对其论证。更应注意到孤独症的致病原因复杂，仅仅几套交互空间没办法决绝所有的儿童心理康复问题。我们应着手开发针对不同孤独症儿童的具体症状而设计的虚拟空间，并且密切关注虚拟技术在软硬件上的综合发展。以期用创新的技术与设计关爱和解决自闭症儿童的成长问题。