基于虛擬再現行為的VR空間認知研究

趙澤宇，呂 健，潘偉杰，侯宇康，付倩文

（貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴州貴陽550025）

虛擬現實（virtual reality，VR）技術已經被廣泛應用于生產和生活的眾多領域。伴隨著低成本、消費級別的頭戴式顯示器（head-mounted display，HMD）的普及，越來越多的VR應用程序被開發，且遠遠超出了娛樂和游戲的范疇，涉及廣告設計、虛擬旅游、原型制作、醫療輔助、科學可視化、虛擬教育等方面［1］。然而，觀看視差立體顯示與觀看真實場景的視覺機制的差異性會引起眼球晶狀體調節與雙眼輻輳的沖突［2］，從而給用戶帶來暈眩、視覺不適、視差等問題。大量研究表明，人在VR空間中對空間距離的認知和在真實空間中對空間距離的認知存在差異［3-5］。為了解決用戶無法有效判斷VR空間距離以及做出合理的交互動作等問題，國內外學者進行了大量的研究，如：Renner等［6］研究發現在虛擬環境中的主觀感知距離通常比在真實環境中的短，豐富的虛擬環境信息如高質量的圖像、精確的虛擬攝像機設置、地板紋理等都有助于用戶對VR空間距離的判斷；Siegel等［7］通過交互實驗提出了一項通用的互動任務，以糾正被低估的距離；Yang等［8］通過控制硬件設計參數自然地協同在真實空間與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，在此基礎上，他們又通過近體空間交互實驗，提出了一種控制三維引擎內虛擬相機參數的方法［9］，可幫助HMD佩戴者精確感知距離并執行準確的交互。然而，上述方法僅適用于有限的硬件和軟件，還不能應用于各種HMD設備、跟蹤系統和三維可視化引擎。此外，在研究范式、變量選取和研究內容上，尚未對虛擬環境下的空間制作、人機關系、自我中心距離知覺等方面作出系統的總結。

基于以上分析，為得到適用于虛擬交互空間的認知機理與距離判斷機制，筆者提出了基于虛擬再現行為的知覺匹配法，并設計、開展了3組實驗，分別對虛擬環境下的空間大小認知、自我中心距離認知與尺寸-距離關系認知進行了實驗與分析，旨在探究人在虛擬環境下的空間認知特點，為VR空間制作與虛擬人機交互提供理論支持。

1 自我中心距離知覺

自我中心距離知覺是指觀察者對從自身到外界某一物體之間的距離的知覺，人們通過認知所預估的距離稱為知覺距離。在真實空間中，知覺距離一般是實際距離的87%～91%，而在VR空間中，知覺距離只有實際距離的41%～72%［18］。人的深度認知或距離認知由多種因素的相互作用決定：通過眼睛的生理結構來識別空間深度的因素包括雙眼視差、雙眼輻合、水晶體調節及運動視差等；通過物理特征來識別空間深度的因素包括焦點、透視、遮擋、光影、色彩、對比度及相對運動等［19］。由于測量方法的不同，觀察者獲得的自我中心距離知覺可能不同。常用的測量方法有口頭報告法［10-12］、知覺匹配法［13-15］以及盲走匹配法［16-17］，3種測量方法的測量細節和優缺點如表1所示。以往的研究均是針對虛擬環境下人感知到的空間距離進行估測，并沒有將VR空間與真實空間有機地連接起來，以達到虛擬對現實的知覺再現。基于此，筆者提出基于虛擬再現行為的知覺匹配法，以研究虛擬環境下人對空間大小和空間距離的認知傾向、認知偏差以及認知準確性等，進而探討人在虛擬環境下的空間認知特點。

2 基于虛擬再現行為的知覺匹配法

本文提出的基于虛擬再現行為的知覺匹配法是將真實空間作為標準刺激，VR空間作為比較刺激，搭建真實環境與虛擬環境之間的知覺匹配模型，通過匹配與真實空間相似的VR空間來明確被試者對空間的認知能力。實驗期間被試者對真實空間與VR空間的實際尺寸未知，僅依靠認知行為進行空間記憶和判斷。

在實驗過程中，基于真實空間大小，VR空間可按照一定的刻度和閾值進行等級變化，其數值（刻度值和閾值）由基于實際空間大小的增減值來表示，如：設定閾值為±100 mm，刻度為50 mm，則VR空間可分為-100，-50，0，50，100 mm五個等級。等級的變化分為下降和上升系列。下降系列是指VR空間由最高數值等級（最高等級）向最低數值等級（最低等級）進行下降變化，且順序不可逆，上升系列則反之。首先要求被試者對真實空間的尺寸、距離進行記憶，然后依照先下降系列后上升系列的等級變化過程，用口頭報告的形式，對所示的VR空間依次進行大小判斷（如：小/相同/大），之后將每名被試者判斷變化前后的2個等級（A、B）所對應的刻度值（a、b）的平均值作為相應系列的測定值。定義下降系列測定值為L，上升系列測定值為U。圖1為基于虛擬再現行為的知覺匹配法流程。

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

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

將下降系列中所有測定值的平均值作為上限值Vmax，上升系列中所有測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可表征被試者的認知差異：若Vjug＞0 mm，表明被試者在虛擬環境下易將大于真實大小的數值錯誤地估算為真實大小，說明被試者具有認知低估的傾向；若Vjug＜0 mm，則表明被試者具有認知高估的傾向。上、下限值之差可表征認知判斷的準確性，上、下限值與真實空間大小R的比值可構成虛擬環境下的認知偏差區間Z。若令Vjug=0 mm，即假設被試者在認知上不存在高估和低估的傾向，只考慮被試者在對真實空間大小的認知過程中所表現出來的認知偏差，那么被試者在相應維度上的標準認知偏差度P可由方程組（1）求得：

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

3 VR空間認知實驗與分析

根據基于虛擬再現行為的知覺匹配法，首先，通過空間大小認知實驗明確VR空間與真實空間在不同維度上的認知關系與判斷標準；然后，通過自我中心距離認知實驗進一步探討在VR空間中深度的自我中心距離認知機理；最后，通過尺寸-距離關系認知實驗分析尺寸參考對自我中心距離認知的影響。

3.1 VR系統與實驗對象

利用Rhinoceros對VR系統進行建模，用Unreal Engine 4完成實驗平臺搭建，采用HTC Vive作為輸入設備。實驗對象為10名具有VR系統開發經驗的研究生（6名為男性，4名為女性）。被試者視覺功能正常或矯正正常，均為右利手，年齡為18～30歲。為了提供與真實空間相同的空間感，改變HMD的瞳孔間距來對應不同被試者的瞳孔間距。

3.2 空間大小認知實驗

3.2.1 實驗空間布置

在空間大小認知實驗中，實驗空間分為VR空間和真實空間，如圖2所示，其平面圖如圖3所示。真實空間的頂面高度為2 485 mm，寬度為2 760 mm，深度為6 000 mm，視點位置與該空間底部的垂直距離為600 mm。在VR實驗室中再現了與真實空間相同的VR空間。真實空間與VR實驗室相鄰，被試者在比較2個空間時可以自由移動。在VR空間中，為保證被試者在判斷空間大小時沒有多余線索，省略了文字、版面、導視等易判斷形變的對象。VR空間的高度H和寬度W可以±300 mm的閾值、50 mm的刻度進行13個等級的劃分，深度D則以±600 mm的閾值、100 mm的刻度進行13個等級的劃分。

圖2 空間大小認知實驗的實驗空間Fig.2 Experimental space in space size cognition experiment

3.2.2 實驗方案設計

1）實驗開始前，被試者戴上實驗設備，靜坐于無任何顯示的VR實驗室內10 min，以適應VR系統與相關設備。

2）為了提高被試者在實驗空間內的真實感與存在感，被試者均采用站姿來感知實驗空間，并根據被試者自身眼高選取HMD眼高。實驗期間被試者可以環顧四周環境來尋找參照物。

3）首先向被試者展示真實空間，被試者對真實空間進行10 min的空間記憶，然后轉移到VR實驗室。VR空間大小認知可從高度、寬度、深度上進行。被試者用“低/相同/高”“窄/相同/寬”“近/相同/遠”分別對VR空間進行大小判斷，要求被試者每次判斷時長tR1≤5 s。

圖3 實驗空間平面圖Fig.3 Plan of experimental space

4）每名被試者各進行2次對VR空間高度、寬度、深度的認知實驗，每次實驗包含上升與下降系列兩個子實驗，共進行12次實驗。記錄并計算各個被試者分別對高度、寬度、深度認知的平均實驗時長t。

5）實驗結束后，采訪并記錄每名被試者的判斷根據。

3.2.3 實驗結果分析

通過式（1），分別對高度、寬度、深度三個維度上的測試數據進行求解，得到各維度尺寸的上、下限值與判斷值，結果如圖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VR空間的高度認知上，其判斷值Vjug-h=-5.625 mm，認知偏差區間Zh∈[-2.1%，1.7% ]，標準認知偏差度Ph=±1.9%。由此可知，在VR空間中，人在進行高度認知時，更傾向于將小于實際高度的值錯誤判斷成實際高度，形成對實際高度的小幅度高估。在Komiyama等［20］的研究中，人對實際空間高度的認知偏差約為±2%，說明人在VR空間中基本再現了與在真實空間中相同的高度感。

在對VR空間的寬度認知上，其判斷值Vjug-w=-2.5 mm，認知偏差區間Zw∈[-1.4%，1.2% ]，標準認知偏差度Pw≈±1.4%。同對高度認知相似，從判斷值與認知偏差區間可以看出，人在進行寬度認知時，也傾向于將小于實際寬度的值錯誤判斷為實際寬度，形成對實際寬度的小幅度高估，但優于高度認知感。與Komiyama等［20］研究得到的人在真實空間中對寬度的標準認知偏差度±（1%～2%）相比可知，人在VR空間中可實現對寬度感的再現。

在對VR空間的深度認知上，其判斷值Vjug-d=23.75 mm，認知偏差區間Zd∈[-2.9%，3.8% ]，標準認知偏差度Pd=±3.4%。不同于高度認知與寬度認知，被試者在VR空間中對深度的認知更加傾向于將大于實際深度的值錯誤判斷為實際深度，形成對實際深度的低估。且與高度和寬度認知相比，寬度的標準認知偏差度較大，認知偏差區間擴大，認知精度也大大降低。從實驗過程來看，很多被試者在對深度進行認知時，平均實驗時長t整體上高于對高度與寬度的認知時長（如圖5所示），表明被試者在認知深度時較為困難。

圖5 VR空間各維度尺寸認知的平均實驗時長對比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VR空間大小的認知上，對深度的認知表現出明顯的高估傾向，且具有較大的認知困難。從被試者的采訪記錄來看，被試者在對空間大小進行認知時參照了某種標準，比如參照地面瓷磚的大小、旁邊房門的大小等，說明尺寸是很重要的參照。為進一步研究人在VR空間中的深度認知，分別在無任何參照和僅有尺寸參照兩種情況下進行距離認知實驗。

3.3 自我中心距離認知實驗

3.3.1 實驗空間布置

在自我中心距離認知實驗中，通過判斷圓形目標物件在空間中的位置來研究人在VR空間中的自我中心距離知覺。實驗空間為空曠的真實空間與VR空間，并排除一切參考物。被試者靜坐于空間中央。依照我國成年人人體坐姿標準尺寸，選取第50百分位的男性和女性的標準眼高1 150 mm作為HMD眼高。視野范圍選取眼睛的最佳轉動區。假定標準視線是水平的，設為0°，則水平視野可確定為左右60°區域內，垂直視野可確定為水平上方25°與下方30°區域內，坐姿的自然視線低于視平線15°。視野范圍及圓形目標物件的放置位置如圖6所示。以視點位置為原點，建立空間直角坐標系，其中：X方向為視平線方向，以1 500 mm處為視覺中心（1 500 mm為人處理遠看任務的推薦視距），按其左側以250 mm的間隔、右側以1 000 mm的間隔標定X方向的6個位置；Y、Z方向上的位置則根據視區進行標定，分別為L、C、R和U、C、D。依照此坐標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空間內圓形物件所處的每個空間位置，均可以±200 mm的閾值、50 mm的刻度在X方向進行9個等級的劃分。圓形物件半徑為100 mm。。

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

3.3.2 實驗方案設計

1）被試者在適應VR系統與相關設備之后，首先在真實空間對圓形物件的空間位置進行1 min的記憶，然后迅速轉移到VR空間，根據圓形物件所處的空間位置的等級變化，用“遠/相同/近”對該位置進行距離判斷，要求被試者每次判斷時長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個空間位置。每名被試者分別對不同空間位置下的圓形物件進行2次實驗，每次實驗包含2個子實驗（上升與下降系列），共進行76次實驗。

3.3.3 實驗結果分析

考慮到實驗中圓形物件的所有空間位置均可看作人在處理遠看任務時視覺中心位置的延伸，將視覺中心到視點位置的距離定為真實視距R，即R=1 500 mm。由式（1）求得圓形物件在VR空間各個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以及標準認知偏差度Pe，如圖8和圖9所示。圖中各個位置可以簡單劃分為：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、右方向統稱為側方向。

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空間各位置的標準認知偏差度曲線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的分布狀態可以看出，人在VR空間中的自我中心距離認知大多存在距離被低估的現象（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，可以發現正前方區域內的Vjug-e均趨近于0 mm，波動幅度也相對較小，明顯優于其他區域，且在中心偏前位置3CC處的自我中心距離認知最優。從上、下限值的差異來看，側方向上的認知偏差較小，在大多數位置上差異值小于20 mm，表明被試者在判斷側方向距離時具有更高的確定性與準確性。從圖8中還可以看出，左方向區域數據分布狀態與右方向區域相似，但其Vjug-e的分布較為離散，認知偏差區間也相對較大，表明對于右利手被試者來說，對左側區域內物件的自我中心距離認知要劣于右側區域。從圖9中可以更清晰地看出：側方向區域的Pe明顯優于正方向，基本為±（0%～1.0%）；在側方向上，側下方的Pe趨于穩定，側上方的Pe達到峰值；在正方向上，Pe基本為±（1.0%～1.2%），且在正前方時較為穩定，在正上方則達到峰值。

由此可知，在無任何參照物的情況下，對于在VR空間中的自我中心距離認知，側方向區域內各空間位置的Pe整體優于正方向約1%，而右側區域則更利于右利手用戶進行自我中心距離的判斷，且在正前方與側下方區域表現出更加穩定的認知偏差，Pe的波動幅度小于0.5%。上方區域內Pe達到峰值，表現出不穩定性，說明上方區域不易于空間距離的認知。

3.4 尺寸-距離關系認知實驗

3.4.1 實驗空間布置與實驗方案設計

由空間大小認知實驗可知，尺寸參考在對空間深度認知中起到了關鍵性作用。為了了解尺寸參考對距離認知的影響，將自我中心距離認知實驗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的空間位置重疊，圓柱半徑為100 mm，長度為2 500 mm，如圖10所示，以此構建尺寸-距離的關系。被試者通過判斷圓柱底面到自身的水平距離來判斷在VR空間中圓柱形物件所處的深度。空間布置、等級設置等都與自我中心距離認知實驗相同。圓柱底面位置也以±200 mm的閾值、50 mm的刻度在X方向進行9個等級的劃分。實驗方案與自我中心距離認知實驗相同，共進行76次實驗。

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 實驗結果分析

通過式（1）求得圓柱形物件在VR空間各個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以及標準認知偏差度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。在上方與下方區域內，Vjug-c更加趨近于0 mm，前方區域的Vjug-c較為離散，這是因為在上、下方區域內被試者更易于觀察圓柱的尺寸變化，由此更加說明尺寸參考對距離認知的重要性。

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

對比Pe、Pc曲線可以發現：Pc更為穩定，大多為±（0.5%～1.0%）；正方向區域內的Pc明顯降低，不過正上方與正下方區域的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空間各位置的標準認知偏差度曲線的對比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VR空間中距離的判斷能力，并在一定程度上加強了人對正方向區域空間距離的認知能力，尤其是提升了人對上、下區域空間距離判斷的準確性。但從整體上看，人對側方向上的距離認知仍然優于正方向，且正上方與正下方區域依舊不利于距離判斷。

4 結論與未來工作

針對虛擬環境下人的空間認知問題，從VR空間對真實空間的再現性角度，提出了一種基于虛擬再現行為的知覺匹配法，構建了VR空間與真實空間的認知關系，設計并開展了相應的空間認知實驗，得出以下結論：

1）在對VR空間大小的認知上，分別以±1.9%，±1.4%的標準認知偏差度基本再現了與對真實空間相同的高度感和寬度感，但在深度感的認知上明顯存在距離被低估的傾向，其標準認知偏差度約為±3.4%；

2）在VR空間中，人的自我中心距離知覺呈現低估傾向和不穩定性，其標準認知偏差度為±（0%～2.5%），且波動幅度高達2%；

3）人對側方向區域內的距離認知優于正方向，2個方向上的標準認知偏差度大約相差1%，

4）可通過添加尺寸參考來提升人們對正方向區域內空間距離的判斷能力，并且可以將Pe優化為±（0.5%～1.5%），有效提升人們在VR空間中對距離的預估能力。

實驗發現，人們在VR空間中的距離認知受多方面因素的影響，并且通過交流發現，被試者在實驗中缺乏存在感。可通過添加聽覺與觸覺反饋等來提升被試者在虛擬環境中的存在感，研究聽覺、觸覺等對自我中心距離知覺的影響。眼動和腦電設備作為采集人類認知行為數據的儀器，可更加客觀有效地獲取人類的認知行為信息，提升實驗結果的準確性。可將眼動與腦電設備應用在空間認知數據的采集上，這是今后進一步的研究方向。