叢 林 ，楊菁華 ，孫繼成 ，程 珊 ，張?zhí)x ，胡文東

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，陜西 西安 710032；2.空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710051）

0 引言

高度是一種普遍的應(yīng)激源，它曾入選《科學(xué)美國人》雜志評(píng)出的人類最害怕的十大事物。流行病學(xué)研究表明大約三分之一的人或多或少具有高度不耐受，具有一定的普遍性，大對(duì)數(shù)人面對(duì)高處情景都會(huì)產(chǎn)生恐懼情緒，區(qū)別在于表現(xiàn)出的恐高反應(yīng)程度不同[1-3]。傳統(tǒng)的情緒誘發(fā)方法通過爬梯、登高等實(shí)體暴露來誘發(fā)高度恐懼[4-5]，因其場地條件、安全保障、流程控制等因素受限已不適合現(xiàn)有研究，而虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)通過構(gòu)造的虛擬環(huán)境來觸發(fā)人生理和心理的反應(yīng)，能模擬高危高壓情境，同時(shí)極大程度上保障了人員安全，可實(shí)現(xiàn)逐級(jí)升高、條件可控、可重復(fù)操作[6-8]。因此，設(shè)計(jì)一種基于高空VR 交互場景的恐懼情緒誘發(fā)系統(tǒng)對(duì)于研究個(gè)體情緒誘發(fā)差異性、恐高反應(yīng)傾向以及恐懼情緒對(duì)工作績效的影響具有重要的意義。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由HTC VIVE 頭盔、VR 交互手柄、背負(fù)式電腦、顯示器、HTC VIVE 追蹤器（VR 追蹤器）、便攜式生理信號(hào)采集儀以及定制的鋁合金踏板組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。背負(fù)式電腦用來運(yùn)行程序，生成虛擬現(xiàn)實(shí)畫面，通過VR 技術(shù)模擬城市的建筑以及川流不息的車輛營造出較真實(shí)的高空樓宇氛圍。VR 追蹤器可標(biāo)定鋁合金踏板的外形、體積及晃動(dòng)幅度，將真實(shí)的踏板帶入到虛擬世界中，被試人員佩戴VR 頭盔后可在伸出房頂邊緣的虛擬踏板上行走，通過頭部移動(dòng)可以看到腳下的房頂以及路面川流不息的“小汽車”，視角的變化給予了更強(qiáng)的代入感。在踏板上行走期間被試需使用VR 交互手柄完成相應(yīng)的“九燈剩余能力任務(wù)”進(jìn)行工作績效評(píng)估，同時(shí)將便攜式生理信號(hào)采集儀放置于人員腰部的挎包，實(shí)時(shí)采集其心電、呼吸、皮溫、血氧、血壓等生理數(shù)據(jù)，從而分析整個(gè)過程被試自主神經(jīng)系統(tǒng)特異性變化規(guī)律。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 VR 交互踏板設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在高空刺激場景下VR 的體感交互，設(shè)計(jì)了一個(gè)長4.8 m、寬0.5 m 的碳素結(jié)構(gòu)鋼踏板，如圖2 所示。踏板及底座采用分體式模塊化設(shè)計(jì)，能夠靈活快捷地部署于大多數(shù)室內(nèi)外環(huán)境。底部安裝有雙筒式彈簧單元減震器，可賦予橋面上下晃動(dòng)的自由度。由于雙筒式彈簧單元兩側(cè)彈簧可以獨(dú)立工作，因此同時(shí)賦予了橋面一定范圍的側(cè)向自由度，使得人體行走踩踏后產(chǎn)生多角度的應(yīng)力晃動(dòng)。為了增強(qiáng)恐懼情緒誘發(fā)效果及測驗(yàn)區(qū)分度，設(shè)計(jì)了3 組不同的雙筒式彈簧安裝座來提升系統(tǒng)冗余度，通過改變雙筒式彈簧單元的安裝位置，可在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)整踏板彈跳剛度、彈跳幅度的目標(biāo)，構(gòu)成不同的難度級(jí)別。為配合虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備部署，踏板前端設(shè)計(jì)了專門的虛擬現(xiàn)實(shí)追蹤器安裝槽，用于實(shí)現(xiàn)虛擬踏板與實(shí)際踏板體感同步結(jié)合的沉浸式體驗(yàn)效果。同時(shí)，設(shè)備具有穩(wěn)定和晃動(dòng)兩種模式，通過支撐架，可以快速實(shí)現(xiàn)約束橋板晃動(dòng)自由度的目的，使柔性橋面變換為剛性橋面。為保證人員安全，對(duì)踏板四周棱角進(jìn)行了柔性包裹，同時(shí)地面還配有安全防護(hù)軟墊。

圖2 碳素結(jié)構(gòu)鋼踏板

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了Unity Technologies 公司開發(fā)的三維游戲制作引擎Unity 3D，其憑借跨平臺(tái)特性以及成熟的3D交互式內(nèi)容開發(fā)環(huán)境已成為AR/VR 開發(fā)領(lǐng)域最值得關(guān)注的平臺(tái)之一[9-10]。軟件按照功能模塊劃分可分為交互顯示模塊、踏板匹配模塊、虛擬場景模塊和實(shí)驗(yàn)管理模塊四部分。

（1）交互顯示模塊：選用HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔作為PC 版本虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，其中配套的LightHouse 作為位置跟蹤設(shè)備，配套的HTC VIVE Pro 手柄作為交互手柄跟蹤設(shè)備[11]。

（2）踏板匹配模塊：在虛擬實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置一個(gè)實(shí)物踏板，使用HTC Tracker VR 追蹤器[12]，實(shí)現(xiàn)虛擬踏板和真實(shí)踏板的視覺一致性，給被試帶來更加沉浸逼真的體驗(yàn)。

（3）虛擬場景模塊：用于支持進(jìn)行心理實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容場景，主要包括城市樓宇、虛擬踏板、刺激元素、九燈能力測驗(yàn)等。

（4）實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)：用于支持人員管理，場景管理，生理數(shù)據(jù)同步采集、顯示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄功能。

系統(tǒng)提供全面的人機(jī)交互接口，支持在Unity 3D 中的多種軟件開發(fā)接口，包括交互手柄、追蹤器等虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備、生理信號(hào)采集設(shè)備等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入到軟件平臺(tái)中的各項(xiàng)軟件接口，用戶可以實(shí)時(shí)地與虛擬場景產(chǎn)生交互，如圖3 所示。

圖3 接口支持

軟件系統(tǒng)采用了C/S 架構(gòu)，包括主控端和客戶端，主控端實(shí)現(xiàn)用戶管理、控制生理數(shù)據(jù)采集和顯示、虛擬場景控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。背負(fù)式電腦作為客戶端，實(shí)現(xiàn)控制虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔追蹤、場景顯示以及追蹤器定位等功能，如圖4 所示。

圖4 軟件架構(gòu)

3.1 主控端

主控端主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的控制，其主控程序包含4 個(gè)操作界面：基本信息、實(shí)驗(yàn)場景、生理監(jiān)控、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，界面如圖5 所示?；拘畔⒔缑嬷饕涗泴?shí)驗(yàn)的基本信息和被試的個(gè)人信息，在該界面中，主試可以輸入實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)操作者以及被試的個(gè)人信息，其中被試人員信息欄主要記錄被試的姓名、年齡、性別、編號(hào)等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)場景配置界面可對(duì)客戶端將要看到的場景進(jìn)行簡單編輯，其中可以設(shè)定出生點(diǎn)類型、跳板和獨(dú)木橋材質(zhì)、實(shí)驗(yàn)高度、刺激元素、剩余能力以及實(shí)驗(yàn)時(shí)間。生理監(jiān)控配置界面可對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)被試者采集的生理信息進(jìn)行設(shè)定，可根據(jù)需求選擇需記錄的生理指標(biāo)。

圖5 主控端軟件界面

3.2 客戶端

客戶端主要功能是對(duì)虛擬場景進(jìn)行渲染，輸出VR頭盔畫面，同時(shí)與主控端建立通信，實(shí)現(xiàn)VR 手柄及VR踏板的追蹤器的交互，界面如圖6 所示。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存亦由客戶端進(jìn)行控制，主要包括VR 頭盔輸出的人員位置和時(shí)間信息，以及通過普瑞JHY-40 多參數(shù)監(jiān)控儀采集的生理信號(hào)數(shù)據(jù)指標(biāo)（心電、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、呼吸率、體溫）。各項(xiàng)數(shù)據(jù)將自動(dòng)記錄到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)專用的Excel 或者數(shù)據(jù)庫中，以方便日后的分析查詢。在實(shí)驗(yàn)過程中，還可以將生理信號(hào)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙傳輸至主控端，實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖6 客戶端軟件界面

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 踏板模型匹配

踏板的模型匹配主要是通過HTC VIVE 的Lighthouse室內(nèi)紅外激光定位技術(shù)，基本原理就是利用配套定位光塔，對(duì)定位空間發(fā)射橫豎兩個(gè)方向掃射的激光，再通過VR 追蹤器上的接收器接收光束，之后計(jì)算兩束光線到達(dá)定位物體的角度差，解算出待測定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[13]。獲取到追蹤器的位置后，將位置綁定到踏板的活動(dòng)端，當(dāng)追蹤器位置發(fā)生上下位移時(shí)，會(huì)帶動(dòng)虛擬踏板的活動(dòng)端上下移動(dòng)，虛擬場景中的跳板添加了彈性控制腳本，隨著活動(dòng)端的移動(dòng)，踏板會(huì)產(chǎn)生上下及左右晃動(dòng)形變，模擬真實(shí)踏板的晃動(dòng)效果。

4.2 九燈剩余能力任務(wù)

由于恐懼情緒會(huì)對(duì)個(gè)體認(rèn)知產(chǎn)生影響，消耗個(gè)體注意資源，任務(wù)績效一定程度上可作為情緒誘發(fā)效果和個(gè)體應(yīng)對(duì)能力的參考，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了九燈剩余能力任務(wù)來評(píng)價(jià)任務(wù)績效，如圖7 所示。剩余能力是指在完成核心任務(wù)（3 min 內(nèi)在踏板上來回行走）的同時(shí)還能完成其他附加任務(wù)的能力[14-15]。具體實(shí)現(xiàn)方式為在VR 視覺界面正上方呈現(xiàn)“一”字排列的9 個(gè)位置點(diǎn)，代表9 個(gè)指示燈，顏色為紅、黃、綠3種，九燈界面與被試的相對(duì)距離為1 m，每5 s 隨機(jī)點(diǎn)亮其中一個(gè)指示燈，每種顏色的指示燈對(duì)應(yīng)VR 操作手柄上相應(yīng)的按鍵，要求被試又快又準(zhǔn)地按相應(yīng)鍵進(jìn)行反應(yīng)，若按鍵正確，指示燈熄滅，若3 s 內(nèi)未按鍵或者錯(cuò)誤按鍵，指示燈自動(dòng)熄滅，自動(dòng)記錄被試按鍵情況及按鍵反應(yīng)時(shí)間。

圖7 九燈能力測驗(yàn)

5 結(jié)論

本文著重論述了基于高空VR 交互場景的恐懼情緒誘發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成、功能和關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種在高空刺激場景下VR 體感交互的方法。通過招募20 名在校大學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，問卷調(diào)查結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效誘發(fā)恐懼情緒，具有較好的應(yīng)用前景，可為高空作業(yè)相關(guān)崗位人員的情緒控制能力選拔及訓(xùn)練提供方法基礎(chǔ)和研究平臺(tái)。