虛擬三維場景下視聽覺地標導航作用差異

李義雙，馮成志，史新廣

(1.蘇州大學 教育學院，江蘇 蘇州 215123；2.蘇州大學 應用技術學院，江蘇 蘇州 215325)

1 引言

空間導航是人與動物在日常生活中必備的生存技能，Montello把導航定義為人或動物在環境中為了抵達特定目的地而采取的一系列協調運動，并將其劃分為行進(Locomotion)和尋路(Wayfinding)兩個子活動[1]。導航過程中，我們需要通過整合諸多信息以從起始位置抵達目的地，有時甚至還要進行返航；在執行這項任務時，我們往往會采用多種導航策略幫助我們更快地抵達目的地，其中借助地標是個體生命早期就具備的一種能力[2-4]，并且這種地標的使用不是盲目的，當地標變得不可靠或無效時，人們往往會拋棄這種策略，轉而尋找更優策略[5-7]，體現出人在導航過程中策略使用的靈活性。由于人在導航過程中主要依賴視覺獲取環境信息，因此以往的研究者大多從視覺出發考察地標對人空間導航能力的影響[4,8-9]，發現了視覺地標的促進作用。但是Yoder,Clark和Taube在研究中提出地標也可以由其他非視覺的感官信息組成，比如觸覺和聽覺線索[10]。然而，目前對視覺之外的地標關注較少，而聽覺作為感知加工中重要的一部分，有研究表明多通道可以擴大我們的工作記憶，促進認知加工[11]。并且根據注意分配的多重資源模型來看[12-13]，視覺地標下，導航的兩個子任務——行進、找路均占用視覺注意資源，兩者在同一通道內競爭有限資源；聽覺地標下，行進占用視覺注意資源，找路依賴聽覺注意資源，兩者在不同的通道進行加工，相對干擾較小 。而在多目標追蹤研究中也的確發現，兩項任務同時競爭視覺編碼所消耗注意資源要多于視聽跨通道信息融合所消耗的注意資源[14]。同樣地，在導航任務中，如果我們追隨聽覺地標，采用多通道聯合加工，是否可以促進我們的導航表現呢？此外，我們的視覺并不能夠時刻保持最佳的線索供給，循聲而至也是我們日常生活中一種常見的導航方式。因此，在本研究中，我們采用Unity游戲引擎開發了虛擬三維迷宮場景，考察視、聽地標對空間導航的作用差異，并且預測視覺地標、聽覺地標的導航效果要顯著優于無地標情況，而聽覺地標的導航效果要優于視覺。

以往有關視覺地標的研究發現個體在地標使用上存在顯著的性別差異[15-18]，具體表現為女性在導航過程中主要依賴地標信息，而男性則偏向同時使用地標和幾何信息[19]；Chamizo等人進一步發現即使是在同樣需要借助地標導航的情況下，男女也表現出對地標不同方面的偏好[20]；這些研究表明性別是導航過程中地標使用情況的重要影響因素。此外，個體相關游戲經驗也會影響導航策略的使用[18,21-22]，尤其是具有相關導航功能的視頻游戲[23]，研究發現擁有這些游戲經驗的玩家，在與電子游戲相關的特定認知任務中，如感覺處理、視覺注意力和反應時間等方面具有明顯優勢[24]。而這些能力也是決定導航表現的重要因素。

但是以往對這兩個影響空間導航能力的變量研究大多數是基于視覺地標展開的，而較少涉及聽覺地標。因此，我們將這兩個重要的影響因素也納入了我們的研究之中，以更好地考察視聽覺地標在空間導航中的作用。

2 對象與方法

2.1 對象

來自江蘇兩所高校的大學本科生參與了實驗，其中有效被試48名(部分被試因3D眩暈中途退出實驗)，游戲玩家和非游戲玩家各24名，每組被試男女各半，年齡(M=20.79，SD=1.50)。所有被試視聽正常，均為右利手，無精神病史。實驗結束，每個被試都獲贈了一份精美禮品。

2.2 實驗材料

由于本實驗的導航環境采用的是桌面3D迷宮，因此在篩選玩家被試時編制了最為接近實驗環境的電腦3D轉向類游戲經驗問卷，問卷中包括是否玩電腦游戲，接觸電腦3D轉向類游戲時間、近一個月每周玩電腦3D轉向類游戲時長、以及近期在玩的電腦3D轉向類游戲名稱；而實驗中使用的三維迷宮，首先是通過MazeGenerator在線生成難度系數為0.5的3個迷宮平面圖，然后根據平面圖使用Blender 2.79三維建模軟件生成相應的三維迷宮，迷宮從入口至出口僅有一條正確通道，在死胡同處設置錯誤觸發器來記錄被試進入盲道次數。出口處視覺地標為遠處可見的旗桿，而聽覺地標為全景播放的音樂，聲源設置在出口處，音量根據被試距離出口的遠近進行指數衰減。

2.3 實驗設計

實驗采用2(性別：男、女)×2(類型：玩家、非玩家)×3(地標：無、視覺、聽覺)的混合實驗設計。因變量為習得前時間、習得前次數以及進入錯誤通道次數。從玩家進入迷宮到連續三次無誤走出迷宮的時間作為習得前時間。從玩家進入迷宮到連續三次無誤走出迷宮這個過程中觸發的出口次數作為習得前次數。從玩家進入迷宮到連續三次無誤走出迷宮這個過程中進入錯誤通道的次數作為進入錯誤通道次數。

2.4 實驗程序

正式實驗前，自愿參加實驗的學生填寫游戲經驗問卷，從中篩選出接觸電腦3D轉向類游戲至少一年，且近一個月每周游戲時間不低于兩個小時的被試作為游戲玩家，而沒有電腦游戲轉向經驗的被試作為非游戲玩家，并且在實驗前對每個被試還進行了空間記憶的測試。

每個被試分別在無地標、視覺地標(旗桿)、聽覺地標(3D聲音，指數衰減)(實驗順序在被試之間進行平衡，三維迷宮在不同地標條件下進行平衡)三種條件下進行實驗，單個試次從主角進入“迷宮”開始計時，找到“出口”則停止計時，僅當被試連續三次在沒有錯誤的情況下走出“迷宮”，才終止實驗。其中視聽條件下被試達到實驗要求后，再進行一次同種地圖下的無地標測試，以考察其是否真正掌握。實驗前非游戲玩家和游戲玩家均進行練習以熟悉操作。

圖1 視覺地標圖示

3 結果

以玩家類型和性別為組間變量，地標類型為組內變量，空間記憶為協變量進行重復測量方差分析。

3.1 習得前的試次數

在習得前試次上，性別主效應顯著，F(1,43)=5.34,P<0.05,η2=0.110；男生習得前所用的試次數顯著少于女生(見表1)。視標與性別交互作用顯著(見圖2A)，F(2,86)=3.13,P<0.05,η2=0.068；簡單效應分析表明，當沒有地標時，男女之間差異顯著(P<0.001)，男生快于女生,其它條件下無顯著差異。對于女性被試，無地標時習得前的試次數均顯著多于視覺和聽覺地標(P<0.05)，但后兩者間的差異不顯著。視標與玩家交互作用顯著(見圖2B)，F(2,86)=6.54,P<0.01,η2=0.132；視覺條件下，玩家類型之間差異顯著(P<0.001)，玩家快于非玩家，其它條件下無顯著差異；對于玩家而言，視覺地標條件下的習得所需次數顯著少于無地標和聽覺地標(P<0.05)，后兩者顯著差異呈邊緣顯著(P=0.080)；對于非玩家而言，有無地標對試次數的影響不顯著。三者交互作用顯著(見圖2C)，F(2,86)=5.24,P<0.01,η2=0.109；僅當被試為女生時，玩家和非玩家之間差異顯著(P<0.001)，即女性玩家顯著快于女性非玩家，其它條件下差異不顯著；對于女性非玩家，聽覺地標稍微優于視覺地標(P=0.058)；對于玩家而言，不論男女，有地標的情況均優于無地標時(P<0.01)，但對于女玩家，視覺地標優于聽覺地標(P<0.01)，而男玩家，此二者間差異并不顯著。

表1 習得前試次數(M±SD)

圖2 習得前的試次數

3.2 進入盲道錯誤次數

在進入錯誤通道上，性別主效應顯著，F(1,43)=10.19,P<0.01,η2=0.192,女生錯誤次數顯著多于男生(見表2)。玩家與性別交互作用呈邊緣顯著，F(1,43)=3.04,P=0.088,對于男性被試，玩家的錯誤次數多于非玩家；對于女性被試，非玩家的錯誤次數多于玩家。視標與玩家交互作用邊緣顯著，F(2,86)=3.10,P=0.050,η2=0.067,簡單效應分析表明，視覺條件下，玩家類型之間差異顯著(P<0.01)，玩家錯誤次數顯著少于非玩家，其它條件無顯著差異。僅當玩家為女性時(見圖3)，視覺地標在減小錯誤次數方面表現較差，顯著差于無地標和聽覺地標(P<0.01)，后兩者間無顯著差異。

表2 進入盲道錯誤次數(M±SD)

圖3 進入錯誤通道次數

3.3 習得前的學習時間

在習得前用時上，性別主效應顯著，F(1,43)=25.42,P<0.001,η2=0.371，男性顯著快于女性(Mboy=252.68)(見表3)。性別和玩家之間交互作用顯著(見圖4A)，F(1,43)=5.58,P<0.05,η2=0.115，簡單效應分析表明，僅在女性玩家之間存在顯著差異(P<0.05)，女性玩家優于男性玩家，而男性玩家和非玩家之間差異不顯著。視標和玩家交互作用顯著(見圖4B)，F(2,86)=4.32,P<0.05,η2=0.091,簡單效應分析發現，在視覺條件下，非玩家速度顯著慢于玩家(P<0.01)，其它條件下差異不顯著。對比不同視標條件，發現視標對非玩家沒有影響；對玩家而言，視覺地標的效果最好，顯著快于無地標和聽覺地標(P<0.01)，但后兩者之間差異并不顯著。三者交互作用顯著(見圖4C)，F(2,86)=3.52,P<0.05,η2=0.076，僅當被試為女生時，玩家和非玩家之間差異顯著(P<0.001)，即女性玩家顯著快于女性非玩家，其它條件下差異不顯著；對于女性非玩家，聽覺視標效果顯著優于無地標和視覺地標(P<0.05)，后兩者之間差異不顯著。對于女性玩家，視覺地標顯著優于無地標和聽覺地標(P<0.01)，后兩者差異不顯著。

表3 習得前的學習時間(M±SD)

圖4 習得前用時

4 討論

本研究發現男性在三個指標上的表現均顯著優于女性，這與之前研究提到的男性在空間任務上總體而言優于女性一致[25-26]。而有關于這種性別差異的解釋，Gr?n等人認為這種性別差異具有一定的神經基礎，具體表現為在導航過程中，男性的左海馬區有明顯的激活，而女性的右半腦頂葉和右半腦前額葉皮層處于激活狀態[27]。也有研究者從理論的角度提出這種空間能力的性別差異是基于進化的，自然環境在其中起了重要作用[28]；最后，基于我們的實驗本身來看，男性非玩家在其他游戲經驗上要超出女性非玩家許多，這可能也是造成這種結果的重要原因。

針對習得前試次以及用時上的性別與玩家交互效應，我們猜測之所以玩家與非玩家的習得前試次、用時差異僅出現在女性群體而未出現在男性群體，很大一部分原因是我們的女性非玩家在游戲經驗上(無論是電腦轉向游戲還是手游經驗)都相當匱乏，而男性非玩家雖然排除了電腦轉向游戲經驗，但是大多數男性非玩家仍舊有著或多或少的手游經驗，而這一點是我們在實驗中未考量的。而以往一些研究從更為廣義的視頻游戲入手也發現游戲經驗與虛擬導航表現之間存在顯著的正相關關系[23,29-30]，以后的研究可能需要對玩家類型進行更細致全面的切分以更好地考察其與導航表現的關系。此外，本研究僅在女性非玩家中發現了聽覺地標的顯著作用，這也再次體現出游戲經驗在個體空間導航中的重要作用。女性非玩家在游戲經驗上相對更為貧乏，因此視覺地標經驗的優勢在這部分群體身上得不到體現，這也再次表明游戲經驗在個體空間導航中的重要作用。

在進入錯誤通道次數上，玩家表現應該普遍優于非玩家，但是在本研究中，在男性被試中出現了截然不同的情況，表現為男性玩家進入錯誤通道的次數要多于非玩家。我們認為男性玩家由于經驗上的豐富在路徑學習上原本應該會更好，但是急功近利的心理促使他們遠不如非玩家謹慎，尤其是在轉彎的時候，容易因為輕視、冒進而造成走錯路，缺少速度與準確性的權衡，使得經驗優勢節省的時間耗費在了錯誤通道上，因此我們看到兩者在總的習得前用時上差異不顯著。

前人將導航過程中涉及的策略分為空間策略和反應策略(基于地標的反應、基于起始位置的反應)[31-32]。具體而言，當個體在導航過程中借助不同線索之間的位置關系進行空間表征，則該個體使用的就是空間策略，如果個體記住的是基于某個單一位置的一系列身體轉動，那么他使用的就是反應策略。在實驗中，僅在迷宮出口設置了單一的地標，我們認為如果被試采用的是基于起始位置的反應策略，那么三種地標條件下的導航表現應該無顯著性差異，但是結果卻并非如此，這表明地標在被試的導航過程中起了作用，也就是說被試在導航任務中使用了地標。但是在后續的探測實驗中，我們移除了地標，被試同樣成功導航到迷宮出口，說明被試僅是在實驗的初始階段借助了地標尋路，但是基于我們記路的任務要求，被試做出了靈活的策略調整，轉向基于起始位置的反應策略。所以在移除地標任務中仍舊表現良好。這與前文提及個體在導航策略的使用上具有靈活性一致[5-7]。

總體來看，在習得前的試次以及用時上，對于非玩家而言，三種地標情況無顯著性差異，而對于玩家來講，視覺地標要顯著優于無地標和聽覺地標條件。這與前人發現的視覺地標的促進作用具有一致性[33-34]。從進化角度來看，由于人類通常是白天活動，因此更多地借助視覺線索導航。更為重要的是在虛擬場景下，被試僅能夠根據方位和聲音的強度判斷出口的大概位置，但是卻無法依據聲音對死胡同進行規避。因此，聽覺的引導與現實情景存在差異，無法提供精準的導航信息，未來需要進一步完善虛擬場景技術設置。而之所以這個差異在非玩家身上沒有得到體現，我們認為策略的使用是一個后天經驗累積的過程，在以往關于司機的導航研究中發現，司機的海馬體積要大于常人，且經驗豐富的司機要大于經驗稍淺的司機[35]；而另一項關于螞蟻導航的研究也表明生活在一個視覺上雜亂的半干旱棲息地的沙漠螞蟻比起生活在光禿地帶的箭蟻更容易轉向基于地標的導航[36]。同樣的，我們的非玩家由于在電腦轉向游戲上的經驗不足，沒有對地標策略的經驗偏好，因此在有無地標條件下，導航的成績并無顯著差異。

總而言之，視覺地標在導航中的促進作用在研究中得到了進一步的確認，但是對于聽覺地標的作用，我們還不能一概而論。此外，我們也發現，在該虛擬場景下的導航活動主要依靠被試操控鼠標進行移動而不是基于個體真實的身體移動，這種視覺刺激與運動刺激的不一致會觸發部分被試的眩暈感造成不適(本研究中這部分被試中途退出實驗，未納入最終的數據分析)，因此對于這部分前庭系統穩定性較差的人在虛擬場景下的導航也還有待進一步研究。

5 結論

(1)男性導航表現總體優于女性。

(2)女性玩家導航表現總體優于非玩家。

(3)視覺地標有助于玩家導航，而聽覺地標在女性非玩家的導航任務中表現出眾。