趙澤宇，呂 健，潘偉杰，侯宇康，付倩文

（貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550025）

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的眾多領(lǐng)域。伴隨著低成本、消費(fèi)級(jí)別的頭戴式顯示器（head-mounted display，HMD）的普及，越來(lái)越多的VR應(yīng)用程序被開(kāi)發(fā)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了娛樂(lè)和游戲的范疇，涉及廣告設(shè)計(jì)、虛擬旅游、原型制作、醫(yī)療輔助、科學(xué)可視化、虛擬教育等方面［1］。然而，觀看視差立體顯示與觀看真實(shí)場(chǎng)景的視覺(jué)機(jī)制的差異性會(huì)引起眼球晶狀體調(diào)節(jié)與雙眼輻輳的沖突［2］，從而給用戶(hù)帶來(lái)暈眩、視覺(jué)不適、視差等問(wèn)題。大量研究表明，人在VR空間中對(duì)空間距離的認(rèn)知和在真實(shí)空間中對(duì)空間距離的認(rèn)知存在差異［3-5］。為了解決用戶(hù)無(wú)法有效判斷VR空間距離以及做出合理的交互動(dòng)作等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，如：Renner等［6］研究發(fā)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的主觀感知距離通常比在真實(shí)環(huán)境中的短，豐富的虛擬環(huán)境信息如高質(zhì)量的圖像、精確的虛擬攝像機(jī)設(shè)置、地板紋理等都有助于用戶(hù)對(duì)VR空間距離的判斷；Siegel等［7］通過(guò)交互實(shí)驗(yàn)提出了一項(xiàng)通用的互動(dòng)任務(wù)，以糾正被低估的距離；Yang等［8］通過(guò)控制硬件設(shè)計(jì)參數(shù)自然地協(xié)同在真實(shí)空間與VR空間的距離感知，并提出了一種新型的眼鏡型顯示器，用于近體空間的直接交互，在此基礎(chǔ)上，他們又通過(guò)近體空間交互實(shí)驗(yàn)，提出了一種控制三維引擎內(nèi)虛擬相機(jī)參數(shù)的方法［9］，可幫助HMD佩戴者精確感知距離并執(zhí)行準(zhǔn)確的交互。然而，上述方法僅適用于有限的硬件和軟件，還不能應(yīng)用于各種HMD設(shè)備、跟蹤系統(tǒng)和三維可視化引擎。此外，在研究范式、變量選取和研究?jī)?nèi)容上，尚未對(duì)虛擬環(huán)境下的空間制作、人機(jī)關(guān)系、自我中心距離知覺(jué)等方面作出系統(tǒng)的總結(jié)。

基于以上分析，為得到適用于虛擬交互空間的認(rèn)知機(jī)理與距離判斷機(jī)制，筆者提出了基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法，并設(shè)計(jì)、開(kāi)展了3組實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)虛擬環(huán)境下的空間大小認(rèn)知、自我中心距離認(rèn)知與尺寸-距離關(guān)系認(rèn)知進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，旨在探究人在虛擬環(huán)境下的空間認(rèn)知特點(diǎn)，為VR空間制作與虛擬人機(jī)交互提供理論支持。

1 自我中心距離知覺(jué)

自我中心距離知覺(jué)是指觀察者對(duì)從自身到外界某一物體之間的距離的知覺(jué)，人們通過(guò)認(rèn)知所預(yù)估的距離稱(chēng)為知覺(jué)距離。在真實(shí)空間中，知覺(jué)距離一般是實(shí)際距離的87%～91%，而在VR空間中，知覺(jué)距離只有實(shí)際距離的41%～72%［18］。人的深度認(rèn)知或距離認(rèn)知由多種因素的相互作用決定：通過(guò)眼睛的生理結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別空間深度的因素包括雙眼視差、雙眼輻合、水晶體調(diào)節(jié)及運(yùn)動(dòng)視差等；通過(guò)物理特征來(lái)識(shí)別空間深度的因素包括焦點(diǎn)、透視、遮擋、光影、色彩、對(duì)比度及相對(duì)運(yùn)動(dòng)等［19］。由于測(cè)量方法的不同，觀察者獲得的自我中心距離知覺(jué)可能不同。常用的測(cè)量方法有口頭報(bào)告法［10-12］、知覺(jué)匹配法［13-15］以及盲走匹配法［16-17］，3種測(cè)量方法的測(cè)量細(xì)節(jié)和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。以往的研究均是針對(duì)虛擬環(huán)境下人感知到的空間距離進(jìn)行估測(cè)，并沒(méi)有將VR空間與真實(shí)空間有機(jī)地連接起來(lái)，以達(dá)到虛擬對(duì)現(xiàn)實(shí)的知覺(jué)再現(xiàn)?；诖?，筆者提出基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法，以研究虛擬環(huán)境下人對(duì)空間大小和空間距離的認(rèn)知傾向、認(rèn)知偏差以及認(rèn)知準(zhǔn)確性等，進(jìn)而探討人在虛擬環(huán)境下的空間認(rèn)知特點(diǎn)。

2 基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法

本文提出的基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法是將真實(shí)空間作為標(biāo)準(zhǔn)刺激，VR空間作為比較刺激，搭建真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的知覺(jué)匹配模型，通過(guò)匹配與真實(shí)空間相似的VR空間來(lái)明確被試者對(duì)空間的認(rèn)知能力。實(shí)驗(yàn)期間被試者對(duì)真實(shí)空間與VR空間的實(shí)際尺寸未知，僅依靠認(rèn)知行為進(jìn)行空間記憶和判斷。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，基于真實(shí)空間大小，VR空間可按照一定的刻度和閾值進(jìn)行等級(jí)變化，其數(shù)值（刻度值和閾值）由基于實(shí)際空間大小的增減值來(lái)表示，如：設(shè)定閾值為±100 mm，刻度為50 mm，則VR空間可分為-100，-50，0，50，100 mm五個(gè)等級(jí)。等級(jí)的變化分為下降和上升系列。下降系列是指VR空間由最高數(shù)值等級(jí)（最高等級(jí)）向最低數(shù)值等級(jí)（最低等級(jí)）進(jìn)行下降變化，且順序不可逆，上升系列則反之。首先要求被試者對(duì)真實(shí)空間的尺寸、距離進(jìn)行記憶，然后依照先下降系列后上升系列的等級(jí)變化過(guò)程，用口頭報(bào)告的形式，對(duì)所示的VR空間依次進(jìn)行大小判斷（如：小/相同/大），之后將每名被試者判斷變化前后的2個(gè)等級(jí)（A、B）所對(duì)應(yīng)的刻度值（a、b）的平均值作為相應(yīng)系列的測(cè)定值。定義下降系列測(cè)定值為L(zhǎng)，上升系列測(cè)定值為U。圖1為基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法流程。

表1 在VR空間中自我中心距離測(cè)量方法Table 1 Measuring methods of egocentric distance in VR space

圖1 基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法的流程Fig.1 Flowchart of perceptual matching method based on vir-tual reproduction behavior

將下降系列中所有測(cè)定值的平均值作為上限值Vmax，上升系列中所有測(cè)定值的平均值作為下限值Vmin，上限值和下限值的平均值作為判斷值Vjug。Vjug可表征被試者的認(rèn)知差異：若Vjug＞0 mm，表明被試者在虛擬環(huán)境下易將大于真實(shí)大小的數(shù)值錯(cuò)誤地估算為真實(shí)大小，說(shuō)明被試者具有認(rèn)知低估的傾向；若Vjug＜0 mm，則表明被試者具有認(rèn)知高估的傾向。上、下限值之差可表征認(rèn)知判斷的準(zhǔn)確性，上、下限值與真實(shí)空間大小R的比值可構(gòu)成虛擬環(huán)境下的認(rèn)知偏差區(qū)間Z。若令Vjug=0 mm，即假設(shè)被試者在認(rèn)知上不存在高估和低估的傾向，只考慮被試者在對(duì)真實(shí)空間大小的認(rèn)知過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的認(rèn)知偏差，那么被試者在相應(yīng)維度上的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度P可由方程組（1）求得：

式中：N為被試者人數(shù)；i為被試者編號(hào)；Li為被試者i在下降系列中的測(cè)定值；Ui為被試者i在上升系列中的測(cè)定值；α為認(rèn)知偏差度上限；β為認(rèn)知偏差度下限。

3 VR空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法，首先，通過(guò)空間大小認(rèn)知實(shí)驗(yàn)明確VR空間與真實(shí)空間在不同維度上的認(rèn)知關(guān)系與判斷標(biāo)準(zhǔn)；然后，通過(guò)自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討在VR空間中深度的自我中心距離認(rèn)知機(jī)理；最后，通過(guò)尺寸-距離關(guān)系認(rèn)知實(shí)驗(yàn)分析尺寸參考對(duì)自我中心距離認(rèn)知的影響。

3.1 VR系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)對(duì)象

利用Rhinoceros對(duì)VR系統(tǒng)進(jìn)行建模，用Unreal Engine 4完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，采用HTC Vive作為輸入設(shè)備。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為10名具有VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的研究生（6名為男性，4名為女性）。被試者視覺(jué)功能正?；虺C正正常，均為右利手，年齡為18～30歲。為了提供與真實(shí)空間相同的空間感，改變HMD的瞳孔間距來(lái)對(duì)應(yīng)不同被試者的瞳孔間距。

3.2 空間大小認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)空間布置

在空間大小認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)空間分為VR空間和真實(shí)空間，如圖2所示，其平面圖如圖3所示。真實(shí)空間的頂面高度為2 485 mm，寬度為2 760 mm，深度為6 000 mm，視點(diǎn)位置與該空間底部的垂直距離為600 mm。在VR實(shí)驗(yàn)室中再現(xiàn)了與真實(shí)空間相同的VR空間。真實(shí)空間與VR實(shí)驗(yàn)室相鄰，被試者在比較2個(gè)空間時(shí)可以自由移動(dòng)。在VR空間中，為保證被試者在判斷空間大小時(shí)沒(méi)有多余線索，省略了文字、版面、導(dǎo)視等易判斷形變的對(duì)象。VR空間的高度H和寬度W可以±300 mm的閾值、50 mm的刻度進(jìn)行13個(gè)等級(jí)的劃分，深度D則以±600 mm的閾值、100 mm的刻度進(jìn)行13個(gè)等級(jí)的劃分。

圖2 空間大小認(rèn)知實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)空間Fig.2 Experimental space in space size cognition experiment

3.2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，被試者戴上實(shí)驗(yàn)設(shè)備，靜坐于無(wú)任何顯示的VR實(shí)驗(yàn)室內(nèi)10 min，以適應(yīng)VR系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備。

2）為了提高被試者在實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的真實(shí)感與存在感，被試者均采用站姿來(lái)感知實(shí)驗(yàn)空間，并根據(jù)被試者自身眼高選取HMD眼高。實(shí)驗(yàn)期間被試者可以環(huán)顧四周環(huán)境來(lái)尋找參照物。

3）首先向被試者展示真實(shí)空間，被試者對(duì)真實(shí)空間進(jìn)行10 min的空間記憶，然后轉(zhuǎn)移到VR實(shí)驗(yàn)室。VR空間大小認(rèn)知可從高度、寬度、深度上進(jìn)行。被試者用“低/相同/高”“窄/相同/寬”“近/相同/遠(yuǎn)”分別對(duì)VR空間進(jìn)行大小判斷，要求被試者每次判斷時(shí)長(zhǎng)tR1≤5 s。

圖3 實(shí)驗(yàn)空間平面圖Fig.3 Plan of experimental space

4）每名被試者各進(jìn)行2次對(duì)VR空間高度、寬度、深度的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)包含上升與下降系列兩個(gè)子實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行12次實(shí)驗(yàn)。記錄并計(jì)算各個(gè)被試者分別對(duì)高度、寬度、深度認(rèn)知的平均實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)t。

5）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采訪并記錄每名被試者的判斷根據(jù)。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)式（1），分別對(duì)高度、寬度、深度三個(gè)維度上的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行求解，得到各維度尺寸的上、下限值與判斷值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 VR空間各維度尺寸的上、下限值與判斷值Fig.4 Upper/lower limit values and judgment value of size in each dimension of VR space

在對(duì)VR空間的高度認(rèn)知上，其判斷值Vjug-h=-5.625 mm，認(rèn)知偏差區(qū)間Zh∈[-2.1%，1.7% ]，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度Ph=±1.9%。由此可知，在VR空間中，人在進(jìn)行高度認(rèn)知時(shí)，更傾向于將小于實(shí)際高度的值錯(cuò)誤判斷成實(shí)際高度，形成對(duì)實(shí)際高度的小幅度高估。在Komiyama等［20］的研究中，人對(duì)實(shí)際空間高度的認(rèn)知偏差約為±2%，說(shuō)明人在VR空間中基本再現(xiàn)了與在真實(shí)空間中相同的高度感。

在對(duì)VR空間的寬度認(rèn)知上，其判斷值Vjug-w=-2.5 mm，認(rèn)知偏差區(qū)間Zw∈[-1.4%，1.2% ]，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度Pw≈±1.4%。同對(duì)高度認(rèn)知相似，從判斷值與認(rèn)知偏差區(qū)間可以看出，人在進(jìn)行寬度認(rèn)知時(shí)，也傾向于將小于實(shí)際寬度的值錯(cuò)誤判斷為實(shí)際寬度，形成對(duì)實(shí)際寬度的小幅度高估，但優(yōu)于高度認(rèn)知感。與Komiyama等［20］研究得到的人在真實(shí)空間中對(duì)寬度的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度±（1%～2%）相比可知，人在VR空間中可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬度感的再現(xiàn)。

在對(duì)VR空間的深度認(rèn)知上，其判斷值Vjug-d=23.75 mm，認(rèn)知偏差區(qū)間Zd∈[-2.9%，3.8% ]，標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度Pd=±3.4%。不同于高度認(rèn)知與寬度認(rèn)知，被試者在VR空間中對(duì)深度的認(rèn)知更加傾向于將大于實(shí)際深度的值錯(cuò)誤判斷為實(shí)際深度，形成對(duì)實(shí)際深度的低估。且與高度和寬度認(rèn)知相比，寬度的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度較大，認(rèn)知偏差區(qū)間擴(kuò)大，認(rèn)知精度也大大降低。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，很多被試者在對(duì)深度進(jìn)行認(rèn)知時(shí)，平均實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)t整體上高于對(duì)高度與寬度的認(rèn)知時(shí)長(zhǎng)（如圖5所示），表明被試者在認(rèn)知深度時(shí)較為困難。

圖5 VR空間各維度尺寸認(rèn)知的平均實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)對(duì)比Fig.5 Comparison of average experiment duration of size cognition in each dimension of VR space

由上文分析可知，在人對(duì)VR空間大小的認(rèn)知上，對(duì)深度的認(rèn)知表現(xiàn)出明顯的高估傾向，且具有較大的認(rèn)知困難。從被試者的采訪記錄來(lái)看，被試者在對(duì)空間大小進(jìn)行認(rèn)知時(shí)參照了某種標(biāo)準(zhǔn)，比如參照地面瓷磚的大小、旁邊房門(mén)的大小等，說(shuō)明尺寸是很重要的參照。為進(jìn)一步研究人在VR空間中的深度認(rèn)知，分別在無(wú)任何參照和僅有尺寸參照兩種情況下進(jìn)行距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

3.3 自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)空間布置

在自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)判斷圓形目標(biāo)物件在空間中的位置來(lái)研究人在VR空間中的自我中心距離知覺(jué)。實(shí)驗(yàn)空間為空曠的真實(shí)空間與VR空間，并排除一切參考物。被試者靜坐于空間中央。依照我國(guó)成年人人體坐姿標(biāo)準(zhǔn)尺寸，選取第50百分位的男性和女性的標(biāo)準(zhǔn)眼高1 150 mm作為HMD眼高。視野范圍選取眼睛的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)。假定標(biāo)準(zhǔn)視線是水平的，設(shè)為0°，則水平視野可確定為左右60°區(qū)域內(nèi)，垂直視野可確定為水平上方25°與下方30°區(qū)域內(nèi)，坐姿的自然視線低于視平線15°。視野范圍及圓形目標(biāo)物件的放置位置如圖6所示。以視點(diǎn)位置為原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，其中：X方向?yàn)橐暺骄€方向，以1 500 mm處為視覺(jué)中心（1 500 mm為人處理遠(yuǎn)看任務(wù)的推薦視距），按其左側(cè)以250 mm的間隔、右側(cè)以1 000 mm的間隔標(biāo)定X方向的6個(gè)位置；Y、Z方向上的位置則根據(jù)視區(qū)進(jìn)行標(biāo)定，分別為L(zhǎng)、C、R和U、C、D。依照此坐標(biāo)位置定義圓形物件的空間位置，并以“xyz”的形式表示，其中：x=1，2，…，6，y=L、C、R，z=U、C、D。VR空間內(nèi)圓形物件所處的每個(gè)空間位置，均可以±200 mm的閾值、50 mm的刻度在X方向進(jìn)行9個(gè)等級(jí)的劃分。圓形物件半徑為100 mm。。

圖6 視野范圍及圓形目標(biāo)物件的放置位置Fig.6 Field of view and placement of round target object

3.3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1）被試者在適應(yīng)VR系統(tǒng)與相關(guān)設(shè)備之后，首先在真實(shí)空間對(duì)圓形物件的空間位置進(jìn)行1 min的記憶，然后迅速轉(zhuǎn)移到VR空間，根據(jù)圓形物件所處的空間位置的等級(jí)變化，用“遠(yuǎn)/相同/近”對(duì)該位置進(jìn)行距離判斷，要求被試者每次判斷時(shí)長(zhǎng)tR2≤5 s。

2）VR空間中圓形物件的所有空間位置如圖7所示，共有38個(gè)空間位置。每名被試者分別對(duì)不同空間位置下的圓形物件進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)包含2個(gè)子實(shí)驗(yàn)（上升與下降系列），共進(jìn)行76次實(shí)驗(yàn)。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到實(shí)驗(yàn)中圓形物件的所有空間位置均可看作人在處理遠(yuǎn)看任務(wù)時(shí)視覺(jué)中心位置的延伸，將視覺(jué)中心到視點(diǎn)位置的距離定為真實(shí)視距R，即R=1 500 mm。由式（1）求得圓形物件在VR空間各個(gè)位置的自我中心距離的上限值Vmax-e、下限值Vmin-e、判斷值Vjug-e以及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度Pe，如圖8和圖9所示。圖中各個(gè)位置可以簡(jiǎn)單劃分為：正前方、正下方、正上方、右前方、右下方、右上方、左前方、左下方和左上方，且左、右方向統(tǒng)稱(chēng)為側(cè)方向。

圖7 VR空間中圓形物件所有空間位置的示意圖Fig.7 Diagram of all spatial positions of round object in VR space

圖8 圓形物件在VR空間各位置的自我中心距離測(cè)定值Fig.8 Measured value of egocentric distance of round object at each position in VR space

圖9 圓形物件在VR空間各位置的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度曲線Fig.9 Curve of standard cognitive deviation degree of round object at each position in VR space

從圖8所示的Vjug-e的分布狀態(tài)可以看出，人在VR空間中的自我中心距離認(rèn)知大多存在距離被低估的現(xiàn)象（大部分空間位置的Vjug-e＞0 mm）。而隨著圓形物件所處空間位置的改變，可以發(fā)現(xiàn)正前方區(qū)域內(nèi)的Vjug-e均趨近于0 mm，波動(dòng)幅度也相對(duì)較小，明顯優(yōu)于其他區(qū)域，且在中心偏前位置3CC處的自我中心距離認(rèn)知最優(yōu)。從上、下限值的差異來(lái)看，側(cè)方向上的認(rèn)知偏差較小，在大多數(shù)位置上差異值小于20 mm，表明被試者在判斷側(cè)方向距離時(shí)具有更高的確定性與準(zhǔn)確性。從圖8中還可以看出，左方向區(qū)域數(shù)據(jù)分布狀態(tài)與右方向區(qū)域相似，但其Vjug-e的分布較為離散，認(rèn)知偏差區(qū)間也相對(duì)較大，表明對(duì)于右利手被試者來(lái)說(shuō)，對(duì)左側(cè)區(qū)域內(nèi)物件的自我中心距離認(rèn)知要劣于右側(cè)區(qū)域。從圖9中可以更清晰地看出：側(cè)方向區(qū)域的Pe明顯優(yōu)于正方向，基本為±（0%～1.0%）；在側(cè)方向上，側(cè)下方的Pe趨于穩(wěn)定，側(cè)上方的Pe達(dá)到峰值；在正方向上，Pe基本為±（1.0%～1.2%），且在正前方時(shí)較為穩(wěn)定，在正上方則達(dá)到峰值。

由此可知，在無(wú)任何參照物的情況下，對(duì)于在VR空間中的自我中心距離認(rèn)知，側(cè)方向區(qū)域內(nèi)各空間位置的Pe整體優(yōu)于正方向約1%，而右側(cè)區(qū)域則更利于右利手用戶(hù)進(jìn)行自我中心距離的判斷，且在正前方與側(cè)下方區(qū)域表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的認(rèn)知偏差，Pe的波動(dòng)幅度小于0.5%。上方區(qū)域內(nèi)Pe達(dá)到峰值，表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，說(shuō)明上方區(qū)域不易于空間距離的認(rèn)知。

3.4 尺寸-距離關(guān)系認(rèn)知實(shí)驗(yàn)

3.4.1 實(shí)驗(yàn)空間布置與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

由空間大小認(rèn)知實(shí)驗(yàn)可知，尺寸參考在對(duì)空間深度認(rèn)知中起到了關(guān)鍵性作用。為了了解尺寸參考對(duì)距離認(rèn)知的影響，將自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中的圓形物件替換為圓柱形物件，圓柱的軸線與空間X軸平行，圓柱底面的圓心與相應(yīng)的空間位置重疊，圓柱半徑為100 mm，長(zhǎng)度為2 500 mm，如圖10所示，以此構(gòu)建尺寸-距離的關(guān)系。被試者通過(guò)判斷圓柱底面到自身的水平距離來(lái)判斷在VR空間中圓柱形物件所處的深度?？臻g布置、等級(jí)設(shè)置等都與自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)相同。圓柱底面位置也以±200 mm的閾值、50 mm的刻度在X方向進(jìn)行9個(gè)等級(jí)的劃分。實(shí)驗(yàn)方案與自我中心距離認(rèn)知實(shí)驗(yàn)相同，共進(jìn)行76次實(shí)驗(yàn)。

圖10 替換圓形物件的圓柱形物件Fig.10 Cylindrical object used to replace the round object

3.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)式（1）求得圓柱形物件在VR空間各個(gè)位置的自我中心距離的上限值Vmax-c、下限值Vmin-c、判斷值Vjug-c以及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度Pc，如圖11和圖12所示。從圖11中可以看出，尺寸參考的存在使上、下限值之間的差異大幅度縮小，提升了被試者的判斷力。在上方與下方區(qū)域內(nèi)，Vjug-c更加趨近于0 mm，前方區(qū)域的Vjug-c較為離散，這是因?yàn)樵谏?、下方區(qū)域內(nèi)被試者更易于觀察圓柱的尺寸變化，由此更加說(shuō)明尺寸參考對(duì)距離認(rèn)知的重要性。

圖11 圓柱形物件在VR空間各位置的自我中心距離測(cè)定值Fig.11 Measured value of egocentric distance of cylindrical object at each position in VR space

對(duì)比Pe、Pc曲線可以發(fā)現(xiàn)：Pc更為穩(wěn)定，大多為±（0.5%～1.0%）；正方向區(qū)域內(nèi)的Pc明顯降低，不過(guò)正上方與正下方區(qū)域的Pc為±（0.5%～1.5%）。綜合而言，在有尺寸參考的情況下，正方向區(qū)域的Pc降低了約1%。

圖12 圓形和圓柱形物件在VR空間各位置的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度曲線的對(duì)比Fig.12 Comparison of standard cognitive deviation degree curves of round and cylindrical objects at each position in VR space

由此可知，尺寸參考可以提升人對(duì)VR空間中距離的判斷能力，并在一定程度上加強(qiáng)了人對(duì)正方向區(qū)域空間距離的認(rèn)知能力，尤其是提升了人對(duì)上、下區(qū)域空間距離判斷的準(zhǔn)確性。但從整體上看，人對(duì)側(cè)方向上的距離認(rèn)知仍然優(yōu)于正方向，且正上方與正下方區(qū)域依舊不利于距離判斷。

4 結(jié)論與未來(lái)工作

針對(duì)虛擬環(huán)境下人的空間認(rèn)知問(wèn)題，從VR空間對(duì)真實(shí)空間的再現(xiàn)性角度，提出了一種基于虛擬再現(xiàn)行為的知覺(jué)匹配法，構(gòu)建了VR空間與真實(shí)空間的認(rèn)知關(guān)系，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了相應(yīng)的空間認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）在對(duì)VR空間大小的認(rèn)知上，分別以±1.9%，±1.4%的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度基本再現(xiàn)了與對(duì)真實(shí)空間相同的高度感和寬度感，但在深度感的認(rèn)知上明顯存在距離被低估的傾向，其標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度約為±3.4%；

2）在VR空間中，人的自我中心距離知覺(jué)呈現(xiàn)低估傾向和不穩(wěn)定性，其標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度為±（0%～2.5%），且波動(dòng)幅度高達(dá)2%；

3）人對(duì)側(cè)方向區(qū)域內(nèi)的距離認(rèn)知優(yōu)于正方向，2個(gè)方向上的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)知偏差度大約相差1%，

4）可通過(guò)添加尺寸參考來(lái)提升人們對(duì)正方向區(qū)域內(nèi)空間距離的判斷能力，并且可以將Pe優(yōu)化為±（0.5%～1.5%），有效提升人們?cè)赩R空間中對(duì)距離的預(yù)估能力。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人們?cè)赩R空間中的距離認(rèn)知受多方面因素的影響，并且通過(guò)交流發(fā)現(xiàn)，被試者在實(shí)驗(yàn)中缺乏存在感?？赏ㄟ^(guò)添加聽(tīng)覺(jué)與觸覺(jué)反饋等來(lái)提升被試者在虛擬環(huán)境中的存在感，研究聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等對(duì)自我中心距離知覺(jué)的影響。眼動(dòng)和腦電設(shè)備作為采集人類(lèi)認(rèn)知行為數(shù)據(jù)的儀器，可更加客觀有效地獲取人類(lèi)的認(rèn)知行為信息，提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性?？蓪⒀蹌?dòng)與腦電設(shè)備應(yīng)用在空間認(rèn)知數(shù)據(jù)的采集上，這是今后進(jìn)一步的研究方向。