虚拟现实在心理学的应用

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1、浸入式虚拟现实技术在心理学研究中的应用1 陶维东 孙弘进 陶晓丽 刘强 吴灵丹 罗文波 (西南大学心理学院 400715 ) 1 摘 要：随着相关领域关键技术的突破，虚拟现实技术日益成熟，被广泛地应用于军事、教育 培训、建筑等各种领域，近年来国外研究人员纷纷利用虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）研究心理学，取得了丰硕的成果。在心理学研究中，利用虚拟现实技术创建 的虚拟环境（Virtual Environment）不仅是对现实世界的复制、模拟和表征外部世界的革 命性变化，而且这也是一种崭新的研究工具和研究范式。文章简要介绍了虚拟现实技术的 概念、分类以及构建浸

2、入式虚拟环境的方法。特别是对近年来采用虚拟现实技术研究心理 学的领域做了详细的综述和分类，对在视空间认知、知觉运动的协调、心理治疗、社会 心理学等领域取得的成果作为简要的评论。讨论了采用虚拟现实技术进行心理学研究的一 些独到的优点和局限性，并对未来的研究趋势进行了展望。 关键词：虚拟现实技术 虚拟环境 实验法 方法学 1、 引言心理学之所以能够脱离哲学母体，得益于其采用科学方法和技术研究心理学。自从 心理学成为一门独立学科以来，科学技术日新月异，不断地采用各领域最新的技术研究本 门学科，促进本门学科的发展，已经成为各领域研究人员的共识。现如今心理学领域已经 广泛地采用了各种新技术、新方法进行研

3、究，如事件相关电位（ERP） ，功能性磁共振成像 （fMRI）等。虚拟现实技术理念是上个世纪70年代美国著明的计算机学家Ivan Sutherland （1965）提出的。美国VPL公司的创始人之一Jaron Lanier于80年代初最先提出虚拟现实概 念（Virtual Reality） 。随着计算机及其相关领域关键技术不断地取得新突破，虚拟现实 技术也日益成熟，其应用领域已不再局限于设计、教学训练、游戏等方面，目前，它更是 1 西南大学心理学院重点学科基金重大项目 陶维东 1979 年 7 月 和空间知觉研究孙弘进 1964 年 和多感官整合研究 男 男 安徽无为人 西南大学心理学院 20

4、04 级在读研究生教授 从事视觉 加拿大人 西南大学心理学院 从事虚拟现实技术、视觉、空间知觉 1 http:/ 作为一个基本的研究工具应用于科学研究的各个领域，心理学家们也纷纷采纳这一新技术 研究人的各种心理现象。 2、虚拟现实概述 2.1 虚拟环境虚拟环境（Virtual Environment）是与现实环境相对应的一个概念。Carr认为 虚拟 环境是指采用电子技术的手段，利用多种感觉通道输入使人体验到一个或者一系列并非真 实存在的场所。国内学者潘志庚（2000）认为 虚拟环境代表着未来的、完全沉浸的交互界 面。使用者感觉自己真实地存在于计算机生成的世界里, 无论是看到的、听到的、还是感

5、受到的, 都与其在真实世界里的体验并无差别,使用者可以以自然的方式与虚拟环境发生 交互作用。总之，虚拟环境是由现代的电子计算机等技术手段创立非真实存在的场所，这 种环境一个关键特征是使用者能够比较自然地与虚拟环境中的物体发生交互体验。沉浸度 是衡量虚拟环境的一个重要的指标。沉浸感是指使用者感觉自己融合到虚拟环境中，相信 他们自己正处于某个真实的环境中。正如Eills (1995)所说 数字计算机及其相关技术的发 展，已经涌现越来越多现实的人工产品，逐渐消除了虚拟世界和现实世界表现手法的界限。 这正说明了随着技术的不断进步虚拟环境沉浸度在不断提高，所构造的环境与真实世界的 差异也越来越小。 3

6、2 1 2.2 虚拟现实技术虚拟现实技术(Virtual Reality Technology)是一门综合技术，它的目标是形成沉浸 度较高的虚拟环境。主要以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、 传感技术、显示技术，生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉以及嗅觉等感觉世界。使用 者利用头盔显视器（HMD） 、数据手套、数据衣、力反馈等传感设备，感知和操作虚拟世界 中的各种对象，实现与虚拟空间的实时交互，从而获得身临其境的感受。虚拟现实是高度 发展的计算机技术在各种领域的应用过程中的结晶和反映，虚拟现实技术本身的研究涉及 到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制

7、、心理学等学科 。 虚拟技术按照标准的不同可划分不同的类别，如按沉浸度来划分，可分为非浸入式、部分 浸入式和完全浸入式。虚拟现实技术按其实现虚拟的环境功能的高低可分为四种类型：桌 面式、浸入式、分布式和混合实现系统。桌面式虚拟现实技术比较初级、功能比较简单,主 要是视觉呈现，使用者带上立体眼镜进行操作，沉浸度不高，但成本较低，系统也较容易 4 2 http:/ 实现。在心理学领域中可用于场景再认、记忆等领域的研究。浸入式虚拟现实技术是使用 多感官浸入工具，如视频头盔呈现系统，数据手套、声音、甚至嗅觉等，使用者几乎完全 沉浸在虚拟的环境中，拥有身临其境的感觉。这是目前虚拟现实技术使用最广泛的种类

8、之 一，也是心理学研究主要采纳的一种虚拟现实技术。它的沉浸感较高，价格也比较昂贵。 分布式虚拟环境技术(distributed virtual environment, 简称DVE) 就是把浸入式虚拟环 境(IVE)和网络结合在一起, 在网络互联的计算机上同时运行虚拟环境系统的技术。混合实 现系统指将真实环境(如使用真实的驾驶座舱)和虚拟环境(驾驶的环境是构造的，虚拟的) 结合起来的一种系统，最常见的是飞行员、驾驶员训练系统。在心理学研究中常使用统混 合实现系统研究司机的驾驶行为，知觉与运动的整合，以及人的社会性。 2.3 实现浸入式虚拟环境所需要的设备和方法根据研究人员对虚拟环境沉浸度的要求

9、不同和构造虚拟环境的方式不同，所使用的设 备差别很大。一般说来有两种常见的方式构建浸入式虚拟环境。 第一种是利用计算机、多个投影系统、多个扬声器等设备构建虚拟环境，即洞穴虚拟 现实系统 56 （Cave Automated Virtual Reality. CAVE） 它是一种利用多个立体投影设 。 备，投影屏幕相互环绕，使用者置身于立体投影机投影形成的三维屋子(四周墙上、地板上、 天花板上)里，并能在其中自由活动， 借助于其它传感设备，如数据手套，使用者可以从 不同角度触摸、甚至改变虚拟环境中的物体。立体眼镜提供了立体视觉，使用者不再把虚 拟环境当作由投影机投射到墙的表面，而是把它当作真实的

10、三维结构。 第二种是利用头盔呈现系统来实现虚拟环境。头盔系统呈现计算机构造的环境，同时 利用运动追踪装置提供头部或身体运动变化信息 76 。运动追踪器主要测量使用者头部在物 理环境中的位置变化。追踪器把收集到的信息实时传入电脑，电脑根据头部运动构建和改 变图像。在任何时刻，头盔显示器(HMD)呈现给使用者的图像或声音都是基于观察者头部运 动的位置而产生的。头盔显示器固定在使用者的头部。由头盔呈现系统实现虚拟环境都能 提供双眼视差、立体视觉、会聚线索和网膜视差线索，它可以使观察者产生自我为中心的 深度知觉或者外部深度知觉。配合其它的输入设备，可以为被试提供沉浸度较高的虚拟环 境。 以上讨论只涉及

11、到了构建虚拟环境的硬件系统，系统顺利运行还需要专门的构建三维 图像的软件，软件的编写主要依据研究的目的和内容。也可利用网络构建更为复杂的虚拟 环境。在这两类构建虚拟环境的系统中，还可根据研究需要加上其它的传感器，如力反馈 3 http:/ 设备，红外线速度测量设备等 3.当前利用虚拟现实技术在心理学研究中的几个领域 3.1 视空间认知领域空间认知领域是虚拟技术在心理学研究中应用最广泛的领域。因为通过计算机产生三维的 虚拟环境几乎可以与真实环境一样逼真，可以用来研究人的空间认知。对空间的表征最初 是利用桌面式虚拟现实技术进行研究，尽管桌面式虚拟现实技术所构建的虚拟环境有很多 的局限性，如交互性不

12、强、视野感觉区域不广等，但是它为被试提供了三维的立体视觉， 所以仍不失为研究空间表征的好工具。 浸入式虚拟现实技术是在桌面式虚拟现实技术基础 上发展起来的，它进一步解决了被试沉浸感不高的问题，增强了被试与环境的交互性。浸 入式虚拟现实技术可以实现准确的空间定位和实时交互， 正是基于这些优点利用 HMD 或 CAVE 系统构建的浸入式虚拟环境使得心理学研究人员可以在实验室内研究距离知觉、大小知觉、 场景再认、方位知觉、导航等，对空间认知的这些领域研究是传统呈现方式和研究工具所 不具备的。 尽管我们可以在虚拟的环境中研究人的空间认知能力，但是，虚拟环境与现实环境还 是有一些差异性的，这种差异是否大

13、到影响实验的结果，众多的学者对此进行了研究。一 种评价虚拟环境的方法就是复制出在实验室的真实的物理空间中做的实验。Ruddle等人 (1997)复制了Thorndyke 等人(1982) 在现实环境中做的拐角效应（Route-Angularity Effect）实验，结果发现在虚拟的环境中得出了与真实环境中相一致的结果。也有人比较 了在虚拟环境中空间学习的效果与在现实环境中的学习效果的差异。Regian (1992) 研究 发现，那些在虚拟大楼中经过训练的被试，与那些在同样的但是是在真实的大楼中学习的 被试相比，他们的学习效果几乎是一样的。学习效果都远远高于控制组被试，而控制组被 试只呈现大楼

14、的一系列照片。孙弘进（2004） 比较了在现实环境，浸入式虚拟环境和地图 三种学习条件下，被试对空间方位判断的准确性，研究结果表明通过地图学习或被动地观 察虚拟空间，被试的空间表征依赖朝向。而被试在虚拟环境中或在现实的环境中行走 （navigation）时，被试的空间表征独立于朝向。Waller（2004）分别利用现实环境，浸 入式虚拟环境、桌面式虚拟环境、静态视觉图像、传统的纸笔测试这五种方法来评估被试 方向估计的准确度和精确性。结果发现在现实的环境、浸入式虚拟环境和桌面式虚拟环境 中，被试方向性的评估更加准确和精确。错误和不一致在前三种条件下，具有稳定性。而 8 4 http:/ 在后两种

15、条件下，被试的错误和不一致不具有相关。这也充分说明了虚拟现实系统构建的 环境与真实的环境差异较小，可以用来研究人的空间认知 。 也有研究表明，在虚拟环境中获得的空间知识可以成功迁移到真实的环境中。在一项 研究中，一群有运动障碍的学生在虚拟环境中体验一个学校的环境。随后把他们带到现实 的学校环境中，相对于没有经过虚拟现实系统训练的被试来说，他们更容易找到学校内某 些目标的位置，指出的正确率也有所提高 10 9 。研究了老年人和青年人在虚拟的商场中购物 的情景。研究结果发现虚拟的场景有利于他们对真实商场空间布局的理解。实验组被试对 目标物体的位置更加准确，购物路线上花的时间也更少。这个研究也证实了

16、对于像建筑物 这类大空间环境也可以通过虚拟的呈现系统来学习空间信息。 在现实环境中研究空间认知有其局限性，因为在现实环境中对空间中的物体和场景进 行实际操控异常困难。而利用虚拟现实技术研究空间认知，不但可以创造非常复杂的场景， 自动记录被试的表现，而且很容易设置空间学习的参数，如情境出现的数量、出现的位置、 出现路标的特征等。甚至利用虚拟现实系统可以研究过去由于技术限制而无法研究的场景。 对于空间地图方面的研究，一般先要设计一个场景，让被试探索新的场景，被试会逐渐获 得界标知识、 路径知识和测量知识。 路径整合需要被试不断地根据自我运动并更新(update) 到当前的位置。而在现实的环境中，导航与路径整合是联系在一起的，很难单独地研究它 们中。利用虚拟现实技术构建三维场景非常便利，并且可以分别研究导航和路径整合，比 如对场景的各种物体或标志（la