空間參照系建立的時間特征

劉仙蕓　劉書青　王超

摘要 通過2個實驗來探討空間記憶參照系建立的時間特征。被試學習一個由7個物體組成的場景，場景中的物體以隨機的方式序列呈現。一個能夠標明物體位置且具有對稱結構的場景分別在被試進行物體位置學習之前或之后呈現。研究結果發現：當被試在學習物體位置之前短暫呈現場景結構，場景結構能夠決定空間參照系的建立；但被試學習物體位置之后再短暫呈現場景結構，場景結構不能決定空間參照系的建立。以上結果表明：空間參照系是在學習物體位置之前建立，并且建立之后不能被改變。

關鍵詞 空間參照系，空間記憶，序列呈現，物體位置，虛擬現實。

分類號 B842.3

1.引言

物體位置和空間關系的記憶與人們日常生活密切相關。如果人們不能夠記起回家的路線、在不熟悉的環境中迷失方向，那將會嚴重影響人們的日常生活。空間記憶理論認為，當人們記憶環境中物體位置的時候，要建立一個空間參照系并且根據這個參照系來描述環境中物體的位置和空間關系（Mou& McNamara，2002；Shelton & McNamara，2001；Werner & schmidt，1999）。人在記憶中建立的這種空間參照系是一種基于環境本身和空間場景內在結構的“內在參照系”（intrinsic frames of reference）。已經有很多研究對空間參照系如何建立進行了考察（Shelton & McNamara，1997，2001；Greenauer &Waller，2008，2010；Mou，Liu，& McNamara，2009；Mou，Xiao，& McNamara，2008；Waller，Lippa，&Richardson，2008；Yamamoto & Shelton。2008）。

人類的記憶可以通過一個或多個空間參照系來描述環境中物體的位置（Klatzky，1998）。由于一個環境中存在著許多可能被選擇的內在參照系方向，前人關于空間記憶的研究表明，人可以根據各種不同的線索來選擇空間參照系。這些線索包括觀察視點方向、指導語、周圍的環境結構、場景的幾何結構和物體自身的相似性和臨近性等。已有研究表明。空間參照系的建立可以由環境線索和觀察者自身的觀察視點方向決定的。

shelton和McNamara在1997年的研究中，用相對方向判斷任務（judgments of relative direction，JRD；例如，想象你站在X，面對著Y，請指向Z）來推斷觀察視點方向在選擇空間參照系過程中的作用。他們讓被試從兩個不同的觀察視點方向學習同一個場景，這些場景由一些物體組成。他們要求被試記憶這些物體的位置，學習結束后被試被帶到另外一個屋子做相對方向判斷的任務。結果表明，相對方向判斷任務的準確性在同學習朝向平行的其他朝向上的成績要好于同學習朝向不平行的其他朝向。Wal-ler等人2008的研究表明，空間參照系的方向是由身體和物體組成的場景之間的軸決定的，而不是由身體的朝向決定的。Yamamoto和Shelton（2008）的研究表明被試學習一個由序列呈現的物體組成的場景時，空間參照系的選擇是由觀察者的觀察視點方向決定的。上述研究表明，觀察者的觀察視點方向可以決定空間參照系的建立。

但是有另外一些研究表明，空間參照系的建立也可以由獨立于觀察者之外的線索決定（Greenauer& Waller，2010；Hintzman，ODell，& Arndt，1981；Liu，Mou，& McNamara，2012；Liu，Zheng，& Liu，2013；Marchette & Shelton，2010；McNamara，Rump，& Wernet，2003；Mou，Liu，& McNamara，2009；Mou & McNamara，2002；Mou，Xiao，& Mc-Namara，2008；Shelton & McNamara，2001；Werner& Long，2003；Werner & Schindler，2004；Werner &Schmidt，1999）。Shelton和McNamara（2001）的研究表明，當被試從多個觀察視點學習物體位置時，空間參照系的建立是由平行于屋子或地毯的觀察視點方向決定的，而不是由其它的觀察視點方向決定。這表明，場景結構會影響空間參照系的建立。Mou等人2008年的研究表明，短暫學習桌面物體組成的場景之后，空間參照系的建立是由桌子的朝向決定的。Marchette和Shelton（2010）的研究表明，當場景中所有的物體都面朝一個方向，這個朝向也可以決定空間參照系的建立。這些研究表明，場景外部框架也會決定空間參照系的建立。空間參照系的建立也可以由場景自身的結構來建立，比如對稱軸（Greenauer & Waller，2010；Liu，Mou，& McNama-ra，2012；Mou，Liu，& McNamara，2009）。

以上研究表明，前人的空間記憶研究多集中在空間參照系的建立是由哪些因素決定的。然而，空間參照系建立的時間特征（即空間參照系是在哪個時間點建立）卻很少有人研究。本研究的目的是想考察空間參照系是在哪個階段建立的。

在以往研究中，當被試學習這些物體的位置時，影響參照系建立的線索一直呈現。因此，我們不能從這些研究中推斷出在場景學習的哪一階段，起決定作用的線索克服了其他線索而使空間參照系建立。空間參照系的建立可能發生在對物體位置的編碼階段之前，也能發生在對物體位置編碼的過程中。簡單說，就是空間參照系建立的時間上有兩種可能性。一是人在學習物體位置之前，先建立一個空間參照系，然后根據這個參照系來記憶物體的位置。二是人在學習物體的位置，這一過程中，逐步建立了空間參照系，再根據參照系來記憶物體位置。

已有的空間記憶理論并不能對上述兩種空間記憶建立的時間上的可能性給出清晰的答案。本研究的目的是想解決上述兩種可能性。即考察在學習物體位置之前，是否能夠建立空間參照系。

已有研究表明，場景的對稱軸方向可以克服觀察視點方向從而決定空間參照系的建立（Greenauer& Waller，2010；Liu，Mou，& McNamara，2012；Mou，Liu，& McNamara，2009）。在本研究中，一個由7個黑色圓點組成能夠標記物體位置的具有對稱軸的背景，在物體呈現之前或學習結束之后出現，用來考察空間參照系建立的時間特征。

2.實驗1物體位置學習前場景結構短暫出現，空間參照系的建立

2.1 研究目的

本實驗想要考察當學習序列隨機呈現，在場景結構短暫出現然后消失的條件下，場景結構能否決定空間參照系的建立。如果在進行物體位置學習之前，短暫呈現的場景結構能決定空間參照系的建立，則說明空間參照系的建立可能發生在對物體位置的編碼階段之前，即證明了空間參照系建立時間上的第一種可能性，也就是說，人在學習物體位置之前，先建立一個空間參照系，然后根據這個參照系來記憶物體的位置。

2.2 研究方法

2.2.1 被試

被試為16名在校大學生或者研究生（平均年齡24.6歲），男女各半，視力或矯正視力正常，以前未參加過類似實驗。

2.2.2 實驗設計

對于參加本研究的所有被試，實驗都為單因素實驗設計，自變量為完成相對方向判斷任務時的想象朝向（本實驗中共有8個想象朝向，0到315度以45度為間隔，其中一個朝向為學習朝向，其他為新穎朝向）。因變量為被試從聽到目標物體到完成指向任務時的反應時間和絕對誤差角度，其中反應時間為主要因變量。角度誤差是被試用游戲桿進行指向反應的指向方向和目標物體的真實方向的絕對角度差。

2.2.3 實驗材料

學習場景學習過程是在一個6×8米的長方形房間里進行的，房間四周的墻壁由黑色的簾子覆蓋，確保排除掉其它可以影響記憶結果的視覺因素。整個學習場景由虛擬現實系統呈現出來，七個物體呈現在一張圓形的桌子上，桌子上面對應每個物體的位置上都呈現了同物體直徑大小相當的七個黑色的圓點，從而標出了整個場景的幾何結構。桌子的高度為69cm，直徑為80cm，七個物體分別是小球、電池、蘋果、蠟燭、夾子、瓶子、小鎖，他們之間沒有明顯的語意聯系，也沒有相似的視覺特征（如圖1所示）。其中，夾子和瓶子，夾子和電池之間的距離都是21.2cm，夾子和蘋果之間的距離是30cm。我們把整個場景的對稱軸方向（沿著瓶子-蘋果-小球）定義為0°方向，觀察視點方向（沿著夾子-蘋果）定義為315°。因此，其他的角度也相應的被定義。例如，沿著小鎖-蘋果的方向被定義為45°方向。虛擬學習場景通過NVIS視頻頭盔呈現，被試的頭部轉動由PPT運動捕捉系統進行追蹤。從而精確的呈現周圍的虛擬環境。

測試項目 空間記憶的每一組測試的方式為想象你站在物體A，面對著物體B，請指向物體C。（例如：想象你站在瓶子，面對著蘋果，請指向蠟燭。）前面兩個物體建立了你的想象朝向（如瓶子和蘋果），第三個物體是目標物體（如蠟燭）。測試項目中共有8個想象朝向（0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°），例如O°對應同被標記為0°的方向一致的所有朝向（例如：站在瓶子面對著蘋果，站在小鎖面對著蠟燭，站在夾子面對著蠟燭），315°對應同被標記為315°的方向一致的所有朝向（例如：站在夾子面對著蘋果，站在電池面對著小球，站在瓶子面對著蠟燭）。指向的方向（目標物體相對于想象朝向的方向）被劃分成三個區域。前方（45°-0°和0°-315°），側方（315°-225°和135°-45°）和后方（135°-180°和180°-225°）。因此產生出48個試次（trial），在每個想象朝向上有6個試次，共有8個想象朝向。這些試次根據如下規則產生：在每個朝向上保證有三對站著的和面對的物體；在前方、側方和后方這三個方向中的每個方向保證有兩個目標物體被用到；在每個想象朝向上的六個物體，每個都被用兩次；在所有的朝向上，每個物體被作為站著的、面對的和指向的物體次數一樣。因此，指向的方向在各個朝向上是相等的。被試總共需要進行10組測試，每組48個試次。在每組中，測試的試次出現的順序隨機呈現。所以每個被試共需要完成480個試次。

2.2.4 實驗程序

被試首先閱讀實驗知情同意書，同意后簽字。在實驗中，被試首先從一個觀察視點學習整個場景，學習結束之后進行相對方向判斷的任務。實驗按照單個被試逐一進行，具體包括練習、學習和測試三個階段。每組測試之間被試可以休息，每個被試實驗過程大約需要3.5到4個小時左右。

練習階段被試通過練習1到2組（每組8個試次）任務完成練習階段，在練習過程中主試通過給予被試反饋來使被試熟悉測試過程和游戲桿的使用。

學習階段被試完成練習階段后，由主試帶領進入學習的房間，被試站在學習的位置（整個場景的315°的方向，學習位置與桌子之間距離為190厘米）之后去除眼罩，戴上虛擬現實頭盔對物體的位置進行學習。在學習過程中，首先，被試會看到一張圓形的桌子，桌子上面有對應七個物體位置的黑色圓點，這些黑色的圓點在呈現5秒鐘之后消失，然后主試按鍵，第一個物體呈現，然后消失，接著下一個物體呈現，再消失，直到七個物體都呈現完。每個物體的呈現時間相等，兩個物體之間沒有時間間隔，整個場景呈現時間共30秒。在此過程中，所有物體呈現的順序是隨機的。七個物體都呈現完之后，主試要求被試閉上眼睛，根據記憶指向物體并同時說出物體的名稱。這種學習-指向過程一共進行10次。被試完成學習階段后，帶上眼罩，由主試帶領到另外一個房間進行測試。

測試階段：首先被試坐在椅子上，帶上眼罩和耳機，拿好游戲桿，通過按游戲桿上的一個鍵來開始每一次試次，測試的試次呈現在計算機屏幕上，通過計算機傳送到無線耳機中。過程如下，被試首先按鍵聽到“想象你站在物體A面對著物體B”（例如：想象你站在瓶子面對著蘋果）。當被試在腦海中清晰地形成自己站在什么地方面對著什么地方的畫面之后，扣動游戲桿上的扳機之后立即會聽到“請指向物體C”（例如：請指向蠟燭）。被試會根據記憶中的物體位置將游戲桿指到相應的方向。實驗指導語要求被試盡量準確地指向物體的位置，被試相對方向判斷任務的錯誤角度和反應時間都同時被記錄。

2.3 結果

本研究采用基于整組被試水平的方差分析來對實驗結果進行統計檢驗。本研究主要以反應時作為主要指標，是因為在本研究中，反應時間比錯誤角度更為穩定和敏感。但是人們在最終確定被試如何建立空間記憶的內在參照系方向時，會同時考慮反應時和錯誤角度因素。本研究中的所有實驗結果中都同時給出了反應時和錯誤角度的數據結果。測試朝向區被分成4個水平，0度朝向（場景的對稱軸方向）、315度朝向（觀察視線方向）、同0度朝向一致的新穎方向（即90，180，270度等與0度朝向水平或垂直的方向）、同315度朝向一致的新穎方向（即45，135，225度等與315度朝向水平或垂直的方向）。在進行統計分析時首先對整組被試的作業成績用SPSS16.0統計軟件進行方差分析，然后進行上述四個朝向的多重比較檢驗。

對被試在8個想象朝向的反應時間進行重復測量方差分析，如圖2所示。結果表現出顯著的想象朝向主效應，F（7，49）=13.85，p<0.001。多重比較結果顯示：想象朝向是O°的反應時間比45°，90°，135°，180°，225°，315°的反應時間快，ts（49）≥13.45，p<0.05；但是和270°的反應時間沒有顯著差異，t（49）=1.63，p>0.05。想象朝向同場景的對稱軸方向一致（90°，180°，270°）的反應時間比想象朝向同觀察視點方向一致（45°，135°，225°）快，并且達到顯著差異，t（49）=5.92，p<0.05。

對被試在8個想象朝向的錯誤角度進行重復測量方差分析，如圖3所示。想象朝向主效應顯著，F（7，49）=2.89，p<0.05。多重比較結果顯示：想象朝向是0°的錯誤角度比135°，225°的錯誤角度小，ts（49）≥2.72，但是和45°，90°，180°，270°，315°的錯誤角度沒有顯著差異，ts（49）≤1.57，p>0.05。同場景的對稱軸方向一致的想象朝向（90°，180°，270°）的錯誤角度和同觀察視點方向一致的想象朝向（45°，135°，225°）的錯誤角度有顯著差異，t（49）=2.18，p<0.05。

綜上可以得出以下結論：第一，被試在進行相對方向判斷的時候，在想象朝向為場景對稱軸方向（O°方向）的反應時間比包括觀察視點方向（315°方向）在內的所有其他朝向的反應時間快。第二，被試在想象朝向是同場景的對稱軸方向一致的新穎朝向（90°，180°，270°方向）的反應時間比同觀察視點方向一致的新穎朝向（45°，135°，225°方向）快。第三，被試選擇了場景的對稱軸方向作為空間表征的內在參照系朝向。第四，場景結構在被試進行物體位置學習之前短暫呈現，被試能夠沿著場景結構的方向建立空間參照系。這表明，空間參照系是在學習場景之前建立起來的。即使場景結構呈現時間只有五秒鐘，被試依然能夠選擇場景的對稱軸方向作為空間記憶表征的內在參照系方向。可以說本實驗中的場景結構決定著空間記憶內在參照系的建立，并且空間參照系的建立是在被試最初學習的時候建立起來的，5秒鐘的場景結構呈現足以使被試獲取場景信息，并建立空間參照系來表征整個場景。

3.實驗2學習結束后場景結構短暫出現，空間參照系的建立

3.1 研究目的

實驗1研究結果證明，空間參照系是在最初的學習過程中建立起來的。本實驗的目的是檢驗是否其他因素而不是場景結構在學習之前短暫呈現引起了實驗1的結果。例如，造成實驗一結果的一種可能是相對方向判斷任務在同對稱軸方向一致的想向朝向上要比同觀察視點方向一致的想象朝向上容易，而不是由實驗控制引起的。在實驗2中，場景結構在被試學習結束之后短暫呈現5秒鐘。如果空間參照系是在學習之前建立，那么此時場景結構并不能決定空間參照系的建立，實驗2的結果應該與實驗一結果表現出不同的模式，即同對稱軸方向一致的想象朝向上的成績并不比同觀察視點方向一致的想象朝向上的成績好。那么可以說，實驗1的結論是確鑿可信的。

3.2 研究方法

3.2.1 被試

被試為16名在校大學生或者研究生（平均年齡23.8歲），男女各半，視力或矯正視力正常，一年內未參加過類似實驗。

3.2.2 實驗設計

同實驗1。

3.2.3 實驗材料

學習場景同實驗1。但不同的是，在學習開始，首先物體開始隨機出現，在被試學習過10次之后，桌子上面的對應七個物體位置的黑色的圓點才出現，5秒鐘之后消失。

測試項目同實驗1完全一樣。

3.2.4 實驗程序

練習與測試階段同實驗1完全一樣。

學習階段。首先被試會看到一張桌子，然后主試按鍵，第一個物體呈現4.29秒，然后消失，接著下一個物體呈現，再消失，直到七個物體都呈現完。每個物體的呈現時間相等，兩個物體之間沒有時間間隔，整個場景呈現時間共30秒。在此過程中，所有物體的呈現順序是隨機的。七個物體都呈現完之后，主試要求被試閉上眼睛，根據記憶指向物體并同時說出物體的名稱。這種學習一指向過程一共進行10次。在這種學習一指向過程結束之后，接著主試會告訴被試，一會他將看到桌子上面有對應七個物體位置的七個黑色的圓點，呈現5秒鐘之后會消失，然后主試按鍵，黑色的點出現，被試學習5秒鐘之后結束。然后主試帶領被試到另外一個屋子里進行測試。

3.3 結果

對被試在8個想象朝向的反應時間進行重復測量方差分析，如圖4所示。

結果表現出顯著的想象朝向主效應，F（7，49）=2.20，p<0.05。多重比較結果顯示：想象朝向是315°的反應時間比45°，90°，135°，225°的反應時間快，ts（49）≥12.28，p<0.05；但是和0°，180°，270°的反應時間沒有達到顯著差異，ts（49）≤1.71，p>0.05。想象朝向同場景的對稱軸方向一致（90°，180°，270°）方向的反應時間和想象朝向同觀察視點方向一致（45°，135°，225°）方向的反應時間差異沒有達到顯著，t（49）=1.59，p>.05。

對被試在8個想象朝向的錯誤角度進行重復測量方差分析，如圖5所示。想象朝向主效應顯著，F（7，49）=1.69，p<0.05。多重比較結果顯示：想象朝向是315°的錯誤角度比90°的錯誤角度小，t（49）=2.64，p<0.05；但是和45°，135°，180°，225°，270°，315°的錯誤角度沒有顯著差異，ts（49）≤1.98，p>0.05。同觀察視點方向一致的想象朝向（45°，135°，225°）的錯誤角度和同場景的對稱軸方向一致的想象朝向（90°，180°，270°）的錯誤角度有顯著差異，t（49）=2.08，p<0.05。

綜上，可以得出以下結論：第一，被試選擇了觀察視點方向作為空間表征的內在參照系朝向。在進行相對方向判斷的時候，被試在想象朝向為觀察視點方向（315°方向）的反應時間比包括場景對稱軸方向（0°方向）在內的所有其他朝向的反應時間快。第二，在學習結束之后，場景結構短暫呈現，此時場景結構這一強線索并不能夠決定空間參照系的建立。實驗二的結果與實驗一結果表現出不同的模式，這說明，空間參照系是在最初學習場景時建立起來的，并且參照系一旦建立，不可以被改變。

4.討論

以往對空間參照系的研究多集中在是空間參照系的建立由哪些因素決定，哪一種因素是主導因素。但是關于空間參照系建立的時間特征（即空間參照系是在哪個時間段建立）卻并未有人研究。本研究的目的是想考察空間參照系是在哪個階段建立的。實驗1和實驗2通過操縱場景結構的呈現階段，來考察空間參照系建立的時間特征。

實驗1結果發現，在進行物體位置學習之前，短暫呈現具有對稱軸的場景結構，被試能夠克服觀察視點因素，沿著場景結構的方向建立空間參照系。即使場景結構呈現時間只有五秒鐘，但它依然能夠決定空間參照系的建立。這表明，空間參照系是在學習場景之前建立起來的。五秒鐘的場景結構呈現足以使被試獲取場景信息，并建立空間參照系來表征整個場景。

本研究首次發現空間參照系的建立發生在物體位置學習之前。實驗2進一步證明這一結果不是由其它因素造成的。在實驗2中，被試在學習完物體位置之后，場景結構短暫呈現。實驗1和實驗2的區別在于場景結構呈現的順序。實驗2的研究結果表明，在學習結束之后短暫呈現場景結構，場景結構并不能決定空間參照系的建立。實驗2的結果與實驗1結果表現出不同的模式。實驗1和實驗2的結果共同說明，空間參照系是在最初學習場景時建立起來的，并且空間參照系一旦建立，不可以被改變。

在實驗2中，在最初學習的過程中，被試就選擇了觀察視點方向作為空間參照系方向，所以隨后呈現的場景結構沒有任何作用。所以本實驗的另外一個重要發現是，空間參照系一旦建立，就不容易被改變。這一發現也可以解釋前人的研究中，被試在經歷了多個觀察視點學習場景之后，為什么最后只形成一個空間記憶內在參照系來表征場景（Mou，Zhao，& McNamara，2007；Shelton & McNamara，2001；Valiquette，McNamara，& Labrecque，2007）。

本研究中，采用虛擬現實環境，因為它可以使實驗條件操縱更加容易。人們相信這一實驗結論也可以推廣到真實環境中。

5.結論

本研究對空間記憶表征過程中（空間參照系的建立）的動態特征和時間特征進行考察，得出以下結論。當人在看到物體之前，已經能夠根據場景結構建立空間參照系。這表明，人在對物體位置進行編碼之前，就已經建立空間參照系，然后再根據這個參照系來表征場景中物體位置。并且空間參照系一旦建立，不可以被改變。