羅 元 任愛珠

(北京市清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084)

虛擬現(xiàn)實行人交通安全教育綜述

羅 元 任愛珠

(北京市清華大學(xué)土木工程系防災(zāi)減災(zāi)研究所，北京 100084)

本文探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在行人交通安全教育領(lǐng)域的意義和適宜性以及相比普通多媒體技術(shù)的優(yōu)勢，并且介紹了國外相關(guān)研究的進展情況，總結(jié)了目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在行人交通安全教育領(lǐng)域的缺點，并對這項技術(shù)未來發(fā)展的趨勢進行了展望。

虛擬現(xiàn)實;行人;適用性;沉浸感

1 虛擬現(xiàn)實在交通安全教育中的意義

我國是一個交通事故頻發(fā)的國家，盡管近年來隨著《中華人民共和國道路交通安全法》的頒布和實施，國內(nèi)交通事故的發(fā)生已經(jīng)開始呈現(xiàn)逐年下降的趨勢［1］，但不容否認(rèn)的是，交通安全形勢仍然不容樂觀，每年的交通事故死傷人數(shù)和導(dǎo)致的直接經(jīng)濟損失依舊是一個天文數(shù)字。相關(guān)統(tǒng)計表明，這些交通事故中的大多數(shù)都是由于駕駛員缺乏責(zé)任心的魯莽駕駛導(dǎo)致的，但也有為數(shù)不少的交通事故是由于行人不遵守交通規(guī)則、交通安全意識淡薄引起的。交通參與者總是交通事故的最廣大肇事者［2］。于是這也就牽涉到一個交通文化的問題。

所謂交通文化［3］，是指整個國家的交通參與者的交通技能、態(tài)度、交通知識、交通訓(xùn)練等一切的總和。長遠來看，預(yù)防總是勝過補救，因此好的交通文化對一個人的影響越早，它在未來防范交通安全事故的作用也就越大，也就是說，如果能夠在小學(xué)就開展合適的道路交通安全教育，那么這對孩子們的交通安全意識的提高會大有裨益。但遺憾的是我國目前在這方面所做的工作還很少，在大多數(shù)地區(qū)教育部門和交通部門甚至從來沒有意識到開展道路交通安全教育的重要性，無論是在學(xué)校中還是在社會上。

因此創(chuàng)建一個交通安全教育體系就顯得尤為重要，而這就牽涉到用什么方法創(chuàng)建的問題。多媒體技術(shù)在國外已經(jīng)被證明了是一個交通安全教育的好方法，但是多媒體技術(shù)并不是完美的，它也有諸多自身的問題，比如，不夠生動、不夠真實等等，這樣的情況下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在交通安全教育領(lǐng)域就有了用武之地。

在了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比于普通多媒體技術(shù)的優(yōu)勢之前，我們應(yīng)該重新審視交通安全教育的含義。大多數(shù)人都把教育理解為對知識的教導(dǎo)傳播，但是至少在交通安全領(lǐng)域，僅僅傳播知識是遠遠不夠的。受教育者不僅需要了解知識(交通規(guī)則等)，更重要的是把這些知識應(yīng)用于實踐，因此他們還需要學(xué)會應(yīng)用知識的技能。根據(jù)相關(guān)研究，交通安全教育中最主要、最常用的兩個技能是［4］:1)偵測交通現(xiàn)狀;2)協(xié)調(diào)理解現(xiàn)有交通信息(如不同方向、不同車道信息等)。只要能夠掌握這兩項技能，受教育者就能夠安全地進行交通行為。從這個方面來看，在交通安全教育中，對技能的教導(dǎo)的重要性更甚于對知識的教導(dǎo)。但是從目前國內(nèi)外普遍使用的交通安全教育方法來看，各國對交通安全教育，尤其是對孩子們的交通安全教育更多的是偏重于教授傳統(tǒng)知識，而沒有很好的意識到技能在交通安全行為中所起到的重要作用。而且即使是教授書上的知識，也只占很少的一部分，老師們更是不鼓勵在實踐中、真實環(huán)境下切身體會的學(xué)習(xí)，這樣的教授效果可想而知。

也有一些教育方法是在真實的交通環(huán)境中進行的，比如交通公園法［5］、“虛擬路”法等，這些方法都在一定程度上改善了受教育者的技能水平，它們對真實的環(huán)境模擬得越好，對受教育者的技能改善也就越大。因此，對真實環(huán)境的模擬程度，就成為衡量一種交通安全教學(xué)方法的重要標(biāo)準(zhǔn)。

由此可以得出，一種好的交通安全教學(xué)方法，應(yīng)該具有以下的一些基本特征:［6］

1)它應(yīng)該能夠表現(xiàn)出真實環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，而且要盡量避免對真實環(huán)境的簡化;

2)它可以讓學(xué)生投入到真實可信的環(huán)境中學(xué)習(xí);

3)它應(yīng)該能夠讓學(xué)生很好地把學(xué)到的知識和具體的應(yīng)用相結(jié)合;

4)它應(yīng)該鼓勵學(xué)生在具體行動之前充分的思考;

5)它應(yīng)該鼓勵學(xué)生們進行相互間的協(xié)作而不是競爭。

人的大腦認(rèn)識世界是通過兩種方式進行的:第一人稱方式和第三人稱方式［7］。所謂第一人稱方式就是指人腦從自我的視角出發(fā)，通過直接、個人、主觀、感官的接觸認(rèn)識世界，而沒有太多更深的思考，例如條件反射，就是人腦在接受外界刺激以后不假思索地給出反應(yīng)的指令;而第三人稱方式則要復(fù)雜一些，也要深層一些，它是以旁觀者的視角，通過經(jīng)驗、別人的故事、反思等等一系列深層次思考以后間接得出的對世界的認(rèn)識，應(yīng)該說這樣的認(rèn)知方式是人區(qū)別于絕大多數(shù)動物的根本原因，也是人之所以為人的根本原因，這樣的認(rèn)知方式更加復(fù)雜和難于理解。同時，第三人稱認(rèn)知方式帶來的另一個問題就是符號的運用，大腦要思考就必須要使用符號，所以第三人稱的認(rèn)知方式總是需要大腦翻譯各種不同的符號，以使自己理解，這樣就難免出現(xiàn)對信息的曲解和遺失，而且理解也會稍微慢一些。

在交通安全教育中，毫無疑問采用第一人稱認(rèn)知方式的教學(xué)是更好的教學(xué)，因為由第一人稱認(rèn)知方式得來的對外部世界的理解無需刻意思考，更加直接，更加完整，反應(yīng)也更加迅速;而第三人稱認(rèn)知方式需要受教育者翻譯、理解所教導(dǎo)的含義，再去把這樣的理解應(yīng)用到實際中，這在瞬息萬變的現(xiàn)實交通狀況中會帶來潛在的風(fēng)險。這也就是虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比普通多媒體技術(shù)的最大優(yōu)勢所在:普通多媒體技術(shù)無論如何都只能提供第三人稱的交流方式，它們必須要通過符號才能與受教育者交互，而這就要求受教育者首先要理解每一個符號的含義，加大了交流的難度;虛擬現(xiàn)實的作用正是盡可能地扔掉這個符號層對人機交流的過濾，帶給受教育者第一人稱的直觀感受。

2 虛擬現(xiàn)實交通安全教育研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于交通安全行人教育的研究才剛剛起步，而國外已經(jīng)有了不少相關(guān)實驗研究，它們都很好地驗證了虛擬現(xiàn)實在交通安全教育中的適用性。［8-10］在 Jodie M.Plumert等人的實驗中［8］，被測試者被安排在不同條件下的真實環(huán)境中和在由3塊10×8英尺大屏幕270℃環(huán)繞組成的虛擬環(huán)境中分別辨識目標(biāo)點離開自己的距離，結(jié)果表明，人們在大屏幕虛擬環(huán)境里的距離感和真實環(huán)境中幾乎完全相同，而在數(shù)據(jù)頭盔虛擬環(huán)境里的距離感則與真實環(huán)境中略有不同:人們在數(shù)據(jù)頭盔里往往會低估他們看到的距離。這樣的差異很有可能是由于數(shù)據(jù)頭盔里的視場與人們在真實環(huán)境中所習(xí)慣的中心視場不一樣所造成的。在Robert J.Matheis等人的另一個實驗中［9］，不同類型的被測試者被要求學(xué)習(xí)和記住一個辦公室場景，實驗結(jié)果表明，虛擬環(huán)境下人腦的學(xué)習(xí)和記憶能力不會與真實環(huán)境中有太大差別，人們在虛擬環(huán)境中完全能夠像平常一樣學(xué)習(xí)新的知識和技能，并把他們應(yīng)用到現(xiàn)實生活中去。

在 David C.Schwebel等人的實驗中［11］，年齡從8－16歲不等的兒童在一個三屏幕組成的道路交通虛擬環(huán)境中被配訓(xùn)如何安全的穿過馬路，通過這些兒童對該培訓(xùn)的反饋，可以得知他們幾乎一致地認(rèn)為該虛擬環(huán)境是一個新穎、有效而且逼真的交通安全培訓(xùn)方法。而Gordon Simpson等人的實驗則比較注重對技能的培訓(xùn)［12］。Simpson認(rèn)為，之所以10歲以下兒童的交通事故發(fā)生率遠高于其他年齡層次的交通參與者，其最主要的原因在于，10歲以下的兒童缺乏綜合處理交通流信息的能力。進一步說，過馬路時行人需要考慮的因素包括車速、車間距、行人自身的速度，以及對過馬路的時機的判斷等，其中最重要的兩點在于對車速和車間距的判斷，我們知道，對于不同速度的車輛，即使他們之間的間距相同，下一輛車開過這段間距的時間也是不同的，因此我們可以用一個“時間車間距”作為車速和車間距的函數(shù)，來表達這兩個因素之間的相互關(guān)系。時間車間距就是指下一輛車通過當(dāng)前車間距所需要的時間長度，可見這個因素綜合了車速與車間距的影響。而Simpson的實驗的著眼點就在于建立兒童對于時間車間距的判斷，并讓他們把這樣的判斷和他們的個人條件(如自身速度等)以及環(huán)境條件綜合起來，以培養(yǎng)安全穿過馬路的技能。Simpson通過在一個大屏幕虛擬環(huán)境中建立的單車道道路來進行實驗，在實驗中，會出現(xiàn)保持車速(可以選擇的速度分別為40、50、60km/h)相同和保持車間距相同(可以選擇的車間距分別為65、75、85m)的兩種車流，兒童們則需要分別多次穿過這樣的車流(順序隨機)。當(dāng)不安全的穿越馬路行為發(fā)生時，屏幕上會顯示出發(fā)生交通意外的動畫，以提醒被測試者該次行為不安全。通過一系列這樣的實驗過后，Simpson得到了一些有益的結(jié)果，其中包括:被測試者的交通事故發(fā)生率與他們的年齡成反比，越年幼的被測試者事故發(fā)生率越高，而同時，女性比男性更容易發(fā)生交通事故。最值得關(guān)注的一點是，所有的被測試者在保持車速相同的實驗中的表現(xiàn)，都要比在保持車間距相同的實驗中要好，這在一定程度上證明了，大多數(shù)兒童都將車間距作為一個簡要的標(biāo)準(zhǔn)去判斷時間車間距是否足夠，而省略考慮車速對時間的影響。這一現(xiàn)象雖然不能表明兒童缺乏對時間車間距綜合理解和判斷的能力，但至少為今后研究指出了一個方向。

圖1 正在進行中的虛擬現(xiàn)實行人交通安全培訓(xùn)實驗

在另一個實驗中［13］，Melinda Congiu等人更是通過跟蹤觀察接受虛擬環(huán)境培訓(xùn)的兒童的交通安全行為，來評估和檢驗虛擬環(huán)境對兒童的交通技能的培訓(xùn)作用。這個實驗的具體方法與Simpson的實驗方法類似，但它的不同之處在于整個實驗中的反復(fù)培訓(xùn)過程:在正式實驗前，首先要對參與實驗的兒童進行交通安全行為的跟蹤監(jiān)測，并對他們第一次培訓(xùn)，讓被測試者熟悉和掌握虛擬環(huán)境中過馬路的方法;6～8個月以后正式培訓(xùn)開始，正式培訓(xùn)的第一步是要進行討論與教學(xué)，充分啟發(fā)兒童對車輛時間間距的理解，并讓他們估測自己安全過馬路所需要的時間，然后用與之前類似的方法讓兒童在虛擬環(huán)境中進行培訓(xùn)，并對自己每次過馬路的安全程度進行評價;一周后，實驗人員會對兒童的交通安全行為進行第二次跟蹤監(jiān)測，一個月以后進行第三次監(jiān)測。監(jiān)測的結(jié)果表明，對兒童在虛擬環(huán)境中培訓(xùn)的效果是非常明顯的:培訓(xùn)后他們明顯減少了交通危險行為，而且可以觀察到，在虛擬環(huán)境中教授給兒童的對時間間距的判斷技巧，能夠有效的轉(zhuǎn)化為在現(xiàn)實生活中對時間間距的判斷，而且效果持久。

此外，Joan McComas等人則設(shè)計了一個擁有8個交叉路口的桌面虛擬城市［14］，要求參與測試95名來自城市和鄉(xiāng)村地區(qū)(多為移民)的10歲以下兒童從城市的一端走到另一端，并界定了通過交叉路口的4個規(guī)范動作:1)過馬路前要先在馬路沿上等待;2)然后按照左－右－左的順序觀察車流情況;3)再在合適的時機快速通過人行橫道;4)隨時保持注意力集中，認(rèn)真觀察交通狀況。研究人員通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)來跟蹤觀察兒童們的交通行為并對他們打分，并通過對比兒童們在接受培訓(xùn)之前和接受培訓(xùn)之后的交通行為，借以評估虛擬現(xiàn)實培訓(xùn)的效果。結(jié)果證明，對于大多數(shù)的兒童來說，虛擬現(xiàn)實都成功的讓他們掌握了正確的4個交通關(guān)鍵行為，而且對于來自鄉(xiāng)村地區(qū)的移民兒童，這樣的學(xué)習(xí)能夠更好的應(yīng)用于現(xiàn)實生活中。同時，Gordon Simpson也通過一個帶數(shù)據(jù)頭盔的單車道虛擬現(xiàn)實實驗證明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于提高兒童交通能力的作用［15］。得到類似結(jié)果的還有James Thomson［16］。

幾乎所有的實驗都證明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于交通安全教育領(lǐng)域的有效性，虛擬現(xiàn)實能夠?qū)崿F(xiàn)和使用者的人機交互，它能帶給使用者第一人稱的視野，它的真實性和沉浸感都讓使用者身臨其境，此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以實現(xiàn)讓不同的用戶之間進行協(xié)作學(xué)習(xí)，它的界面、風(fēng)格、新鮮感等等都會給使用者帶來學(xué)習(xí)的趣味性，增加使用者學(xué)習(xí)的動力;考慮到虛擬現(xiàn)實技術(shù)相比其他的交通安全教育方法，例如交通公園、“虛擬路”法等，可操作性更強(不需要組織成年人對兒童進行交通引導(dǎo)等)，而且成本更低;這一切充分表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在未來的交通安全教育中必然有著廣闊的發(fā)展前景。

3 前景展望

虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然已有40多年的發(fā)展歷史，但之前由于設(shè)備的限制，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)大規(guī)模付諸應(yīng)用還是最近10年的事?？梢哉f，虛擬現(xiàn)實技術(shù)還是一門新興的技術(shù)，在擁有廣闊發(fā)展前景的同時，也存在很多未被發(fā)現(xiàn)或克服的困難。

近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始逐漸被大規(guī)模應(yīng)用于醫(yī)學(xué)手術(shù)模擬、駕駛模擬等方面，在這些方面虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的經(jīng)驗和成績，但在行人交通安全模擬教育方面，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用還處于嘗試階段:國外現(xiàn)有研究都只是將虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為一種可以考慮的方法，應(yīng)用于行人交通安全教育，進行了一些試驗;而國內(nèi)則根本還沒有這方面的研究。雖然國外的類似試驗已經(jīng)取得了不少的成果，也基本證明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在行人交通安全教育培訓(xùn)方面的適用性，但畢竟還有很多地方?jīng)]有探索到，很多問題也沒有解決，比如，受限于現(xiàn)階段的軟硬件條件，大多數(shù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的沉浸感都不足，尤其是由數(shù)據(jù)頭盔設(shè)備構(gòu)建的虛擬環(huán)境，由于數(shù)據(jù)頭盔本身的重量、它的導(dǎo)線以及它有夾角的視場等的影響，使用者的沉浸感也會受到影響，進一步地，這些因素會影響使用者對交通狀況的判斷從而得出錯誤的結(jié)論，影響培訓(xùn)的效果。而大屏幕虛擬環(huán)境雖然在這些方面勝過數(shù)據(jù)頭盔，沉浸感也明顯強于數(shù)據(jù)頭盔虛擬環(huán)境，但由于資金的限制，實驗室往往只能配備1－3個大屏幕和數(shù)臺處理器，無法達到完全沉浸感的要求，遠遠不能與目前最先進的美國軍方投資500萬美元興建的C6虛擬環(huán)境相比。此外，目前的虛擬環(huán)境中大都缺少真實交通環(huán)境中的干擾因素，如人群、天氣、光線、聲音等等，這也限制了虛擬環(huán)境的真實性，但如果增加這些干擾因素與使用者的人機互動，又會大大增加虛擬環(huán)境構(gòu)建的困難程度和成本。最后，由于使用者知道虛擬環(huán)境中并不存在真正的危險，因此他們會在交通環(huán)境中采取更冒險、激進的行為，這一點與實際狀況不符合，當(dāng)然，這也幫助實驗者更多的了解參與者容易犯的一些錯誤。

為了改進上述的虛擬環(huán)境中的不足，更多技術(shù)的應(yīng)用和研究是必要的，比如近年來，LOD和粒子系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于虛擬環(huán)境的模擬，但這些還不夠，要實現(xiàn)成熟的虛擬現(xiàn)實行人交通安全教育，還需要人們從各個方面去研究和開發(fā)，完善虛擬環(huán)境的真實感，加強虛擬現(xiàn)實的交互能力。隨著社會經(jīng)濟水平的增加和計算機軟硬件水平的增長，虛擬現(xiàn)實行人交通安全教育的價值會越發(fā)的凸顯，也會有越來越多的計算機工作者投身到這個領(lǐng)域中來，而虛擬現(xiàn)實行人交通安全教育的大規(guī)模應(yīng)用也不再遙遠。

［1］袁雄軍，張華.我國道路交通安全的現(xiàn)狀及對策分析.交通與運輸，2008:27-28.

［2］路平，龔瑞庚.道路交通事故的基本規(guī)律與對策.長沙交通學(xué)院學(xué)報，1999，15(4):77-81.

［3］ Emmanuel Fokides，Costas Tsolakidis.Virtual Reality in Education:A Theoretical Approach for Road Safety Training to Students.European Journal of Open，Distance and E-Learning，2009.

［4］ Thomson J.，Tolmie A.，F(xiàn)oot H.，McLaren B..Child Development and the aims of road safety education.Department of Transport，Road Safety Report No.1，1996.

［5 ］ Sandels S.，.Children in Traffic.London:Elek，1975.

［6］Jonassen D.H..Thinking technology:Toward a constructivist design model.Educational Technology，1994，34(4):34-37.

［7］Winn，W..A Conceptual Basis for Educational Applications of Virtual Reality.Human Interface Technology Laboratory，Report No.TR-93-9，1993.

［8］JODIE M.PLUMERT，JOSEPH K.KEARNEY，JAMES F.CREMER，and KARA RECKER.Distance Perception in Real and Virtual Environments.ACMTransactions on Applied Perception，2005，2(3):216-233.

［9］ Robert J.Matheis，Ph.D.，Maria T.Schultheis，Ph.D.，Lana A.Tiersky，Ph.D.John DeLuca，Ph.D.，Scott R.Millis，Ph.D.，Albert Rizzo，Ph.D..IS LEARNING AND MEMORY DIFFERENT IN A VIRTUAL ENVIRONMENT.Virtual Learning，2005:1-36.

［10］ DENISE REID，Ph.D..Virtual Reality and the Person-Environment Experience.CYBERPSYCHOLOGY ＆ BEHAVIOR，2002，5(6):559-564.

［11］ David C.Schwebel，Joanna Gaines，Joan Severson.Validation of virtual reality as a tool to understand and prevent child pedestrian injury.Accident Analysis and Prevention，2008，40:1394-1400.

［12］ Gordon Simpson，Lucy Johnston，Michael Richardson.An investigation of road crossing in a virtual environment.Accident Analysis and Prevention，2002，35(2003):787-796.

［13］ Melinda Congiu，Michelle Whelan，Jennifer Oxley，Angelo D'Elia，Judith Charlton ＆ Brian Fildes.Crossing roads safely: The effectsoftraining on improving children's road crossing decisions，2006.

［14］ McComas，J.，MacKay，M.，Pivik，J..Effectiveness of virtual reality for teaching pedestrian safety.Cyberpsychology and Behavior，2002，5:185-190.

［15］ Simpson，G.，Johnston，L.，Richardson，M..An investigation of road crossing in a virtual environment.Accident Analysis and Prevention，2003，35:787-796.

［16］ Thomson，J.A.，Tolmie，A.K.，F(xiàn)oot，H.C.，Whelan，K.M.，Sarvary，P.，Morrison，S..Influence of virtual reality training on the roadside crossing judgments of child pedestrians.Journal of Experimental Psychology，2005，11:175-186.

Summarization of Virtual Reality in Pedestrian Traffic Safety Education

Luo Yuan，Ren Aizhu

(Institute of Risk Prevention＆ Reduction in Tsinghua University，Beijing100084，China)

This paper discussed the significance and appropriation for Virtual Reality applying in traffic safety education for pedestrian and compared VR with multimedia technique.Then relevant researches all over the world were introduced and some disadvantages of VR now using in pedestrian traffic safety education were concluded.At the end the future trend of VR in this area is prospected.

Virtual Reality;Pedestrian;Appropriation;Immersion

TP391.9;X925

A

1674－7461(2011)01－0097－05

羅元，男，博士。E-mail:lyethu@gmail.com