王　雯　王國強

【摘 要】 進入二十一世紀以來，隨著應(yīng)用心理學領(lǐng)域在人類生活各個領(lǐng)域的廣泛涉獵新的研究主題。很多有趣的空間認知心理學實驗都是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行的。2006年美國科學家Ann E.Schlosser就證明使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以增強人們的記憶。

隨著我國研究空間認知心理學的學者逐漸增多，一個個新成果催進了這個領(lǐng)域在中國的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 虛擬現(xiàn)實；認知科學；空間認知オ

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality），簡稱VR，還有人翻譯為“靈境”、“幻真”，是近年來出現(xiàn)的高新技術(shù)，也稱為“靈境技術(shù)”或“人工環(huán)境”。從上個世紀80年代開始，美國科學家Jaron Lanier將虛擬現(xiàn)實技術(shù)真正實現(xiàn)，組創(chuàng)了美國 VPL公司，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的商業(yè)化運作。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供給使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，如同進入真實的空間。虛擬現(xiàn)實中的“現(xiàn)實”是泛指在物理意義上或功能意義上存在于世界上的任何事物或環(huán)境，它可以是實際上可實現(xiàn)的，也可以是實際上難以實現(xiàn)的或根本無法實現(xiàn)的。而“虛擬”是指用計算機生成的意思。VR綜合集成技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域，使人作為參與者通過適當裝置，自然地對虛擬世界進行體驗和交互作用。使用者進行位置移動時，電腦可以立即進行復雜的運算，將精確的3D世界影像傳回產(chǎn)生臨場感。這項技術(shù)的運用正在給人類的生活帶來全新的意義。［1］近年來，隨著國外虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用也正漸漸滲透到軍事、教育、科學研究、制造業(yè)、建筑設(shè)計、游戲娛樂等眾多領(lǐng)域［2］［3］。尤其在科學研究領(lǐng)域中，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)十分廣泛，主要集中于醫(yī)學、地球科學、心理學、航空航天、軍事學等學科［4］［5］。

一、國外VR技術(shù)在空間認知心理學中的發(fā)展

20世紀90年代后，由于計算機模擬虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)在眾多科學研究領(lǐng)域做出了突出的貢獻，心理學家們發(fā)現(xiàn)它同樣可以成為空間認知心理學研究的有力工具。隨后，這項技術(shù)首先運用于空間視知覺研究中。早在上個世紀六七十年代，美國心理學家Helen和Hein曾經(jīng)做過一個關(guān)于深度知覺的經(jīng)典實驗，內(nèi)容如下：兩組小貓被關(guān)在黑暗中喂養(yǎng)，在它們面前是相同的視覺圖形，其中一組小貓可以自由行動，另一組則無法行動，數(shù)周后，可以自由行動的那組小貓一切正常，而另一組小貓則不斷撞在其它物體上，好像根本看不見周圍的擺設(shè)。他們證明沒有肢體運動系統(tǒng)的存在，就沒有所謂的知覺。風靡一時的行為實驗所得的觀點在新技術(shù)的論證下很快被顛覆。1991年美國心理學家Warrila使用VR技術(shù)重復了這個經(jīng)典實驗后總結(jié)道：“物體不是通過特征的視覺提取而是通過動作的視覺導向被感知的”［6］，如果Helen和Hein擁有虛擬現(xiàn)實技術(shù)這個工具的話，他們的實驗結(jié)論會是截然相反的。[JP]

心理學家Riecke等人使用虛擬現(xiàn)實的方法研究表明，虛擬現(xiàn)實的真實感可以在真實的移動與虛擬的移動之間建立直接的聯(lián)系，使被試產(chǎn)生如同真實場景下行走的感受，所以他認為人類可以只依賴視覺信息，就可以完成移動、心理旋轉(zhuǎn)、三角定位等空間任務(wù)。1993年Beer的研究表明，在視覺刺激自動化時，被試可以利用視覺流（Optical Flow）的改變來更新場景。視覺空間關(guān)系加工不僅與大腦的特異性有關(guān)，而且還涉及了視覺的再認知、空間定向、定位、軌跡追蹤以及表象轉(zhuǎn)換等高級空間認知加工過程［7］，所以人們需要對視覺信息對物體之間的空間關(guān)系不斷地進行加工。

進入二十一世紀以來，隨著應(yīng)用心理學領(lǐng)域在人類生活各個領(lǐng)域的廣泛涉獵新的研究主題。很多有趣的空間認知心理學實驗都是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行的。2006年美國科學家Ann E.Schlosser就證明使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以增強人們的記憶。這位學者使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和普通語言文字介紹一種新型照相機的使用方法，在虛擬現(xiàn)實技術(shù)展示下，人們能夠更好更快的使用這種新照相機。類似的實驗在近期的《科學日志》雜志上層出不窮，幾乎每天都會刊登新的研究來豐富或更新對于人類空間認知心理問題的認識

二、國內(nèi)空間認知心理學研究中使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的狀況

國內(nèi)空間認知心理學研究較多集中于平面環(huán)境或語言想象環(huán)境下，而較少涉及使用虛擬現(xiàn)實手段實現(xiàn)三維實驗環(huán)境。隨著我國研究空間認知心理學的學者逐漸增多，一個個新成果催進了這個領(lǐng)域在中國的發(fā)展。中科院心理所牟煒民教授率先引進的增強現(xiàn)實技術(shù)證明了在空間巡航時使用的空間表征以環(huán)境中心參照為主［8］。牟教授設(shè)計的實驗是讓觀察者首先記憶由若干物體構(gòu)成的一個場景中各物體的空間位置，然后戴上眼罩完成迷向前和迷向后兩種條件下的物體指向任務(wù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當觀察者從場景外學習一個有明顯內(nèi)在參照系結(jié)構(gòu)的場景時，被試在迷向后物體指向的一致性與更新后物體的指向一致性相當；而當觀察者從場景內(nèi)學習一個沒有明顯內(nèi)在參照系結(jié)構(gòu)的場景時，被試在迷向后物體指向的一致性要差于更新后物體的指向一致性。無論場景結(jié)構(gòu)良好與否，迷向后的指向的一致性遠高于隨機水平。這些實驗結(jié)果表明：空間表征中存在著環(huán)境中心參照系和自我中心參照系兩種表征；空間巡航主要依賴環(huán)境中心參照系，當不能形成良好的環(huán)境中心參照系表征時，被試可能使用自我中心參照系表征。

三、認知研究使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要注意的問題

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強現(xiàn)實系統(tǒng)這三類技術(shù)采用第一人稱視角的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，畫面運動的支點是被試的眼睛，被試視線的移動與畫面中未出現(xiàn)的主角保持一致，這種空間上的連貫性使兩者在行動上較容易產(chǎn)生認同；相比較在桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)第三人稱視角的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，Andy Cockburn 和 Bruce McKenzie認為這種環(huán)境嚴格而言并非虛擬現(xiàn)實的三維環(huán)境，而是二維半環(huán)境［6］。畫面以所操控角色為中心，盡管其視野較第一人稱開闊，令被試可以更方便地對周圍的環(huán)境做出判斷，但視角的不一致很容易導致外部角色與內(nèi)部角色的分離，從而影響虛擬現(xiàn)實的真實性，被試會感覺自己是在操縱一個木偶，這個木偶存在于環(huán)境中（in game）但并不屬于環(huán)境（of game）。要解決這一問題，必須借助良好的輸入系統(tǒng)將外部角色的行動與內(nèi)部角色的行動作自然合理的映射。當我們下意識地認為“我在轉(zhuǎn)彎”、“我在撿起地上的東西”的時候，操控的感覺實際上已不復存在，輸入系統(tǒng)已成為我們身體的一部分或者說一種延伸，將此時外部角色的行動與內(nèi)部角色的行動融為一體。

在定向與行走的實驗中使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)比在現(xiàn)實環(huán)境中進行一般的行走實驗更有利于實驗［7］。人們對于驗證實驗工具對于實驗有效性的方法是重復已經(jīng)在自然環(huán)境中得到的實驗結(jié)果。最重要的是，實驗條件需要很好界定，而且好控制，能夠準確的重復實驗［9］。此外，虛擬現(xiàn)實的實時交互功能支持更接近行走知覺的、可循環(huán)的空間認知的本質(zhì)研究。Plumert和 Kearney做了增強現(xiàn)實的研究表明，這種虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠使人們獲得更好的距離知覺［9］。

使用沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、增強現(xiàn)實這些技術(shù)進行空間認知研究使得人們對于知覺條件限定在一個更嚴格的實驗條件下進行，而且不涉及身體的本體感應(yīng)，前庭覺對知覺的影響。

四、需要解決的技術(shù)問題

1、體顯示和傳感器技術(shù)

虛擬現(xiàn)實的交互能力依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的設(shè)備遠遠不能滿足需要，比如頭盔式三維立體顯示器有以下缺點：過重（1.5 kg至2kg）、分辨率低（圖像質(zhì)量差）、延遲大（刷新頻率低）、行動不便（有線）、跟蹤精度低、視場不夠?qū)?、眼睛容易疲勞等，因此有必要開發(fā)新的三維顯示技術(shù)。同樣，數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服等都有延遲大、分辨率低、作用范圍小、使用不便等缺點，在進行認知神經(jīng)科學的研究過程中，會遇到阻力。尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與多種生理監(jiān)測儀器的共同使用，已經(jīng)成為國際上流行的工具，但在我國相關(guān)的研究還處于相對落后的地位。

2、用系統(tǒng)開發(fā)工具

心理學領(lǐng)域運用虛擬現(xiàn)實的關(guān)鍵是選擇合適的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，以及如何進行有效的實驗。而現(xiàn)階段從未有任何統(tǒng)一的虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具問世，這就降低了認知實驗的科學性和精確性。我國空間認知心理學研究的現(xiàn)狀是：少有計算機界學者與認知心理學學者共同進行跨學科的科學研究。

3、統(tǒng)集成技術(shù)

由于VR系統(tǒng)中包括大量的感知信息和模型，因此系統(tǒng)集成技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。集成技術(shù)包括信息的同步技術(shù)、模型的標定技術(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)管理模型、識別與合成技術(shù)等等。必須研究虛擬現(xiàn)實的開發(fā)工具并配合相應(yīng)腦成像技術(shù)，例如VR系統(tǒng)開發(fā)平臺與fMRI（功能核磁共振技術(shù)）的聯(lián)合使用。這些是我國空間認知心理學家們聯(lián)合計算機軟件人員亟待解決的技術(shù)問題。

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王 雯（1981-），女，陜西西安人，西安文理學院教育系教師．

王國強（1979-），男，陜西府谷人，西安文理學院教育系教師，碩士研究生．