基于VR技術的孤獨癥兒童康復服務虛擬空間設計

高宇童 李莉 王文萌

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）12-0148-03

引言

孤獨癥又稱自閉癥，是發生于兒童早期的一種涉及感知覺、情感、語言、思維和動作與行為等多方面的發育障礙，也是廣泛發育障礙中最為常見和典型的病態癥狀。我國自閉癥兒童群體逐年遞增，危及數百萬家庭和數千萬家庭社會成員的福祉。本研究以“VR+健康”拓展虛擬現實應用空間為切入點，基于認知行為療法，為自閉癥兒童早期干預和融合教育提供支撐，有效降低了心理障礙對其成長發育的不良影響，減輕眾多家庭困苦和社會負擔。國外學者Mayes及其同事研究了1033名自閉癥兒童（651名高功能自閉癥兒童和382名低功能自閉癥兒童），發現41%的兒童報告有特殊的心理恐懼源（例如刺激性聲音、公交街道場景等）。Morag為參與的兒童設計了專門的VR虛擬康復空間幫助兒童克服對特定社交場合的恐懼心理，以及Daniel在他的論文中提到獎勵行為有助于自閉癥兒童主動克服過敏性音源的心理障礙。

VR技術有安全性高，延展性強，定制性靈活等諸多特點。因此通過虛擬技術展開對自閉癥兒童的研究與設計具有重要意義。

一、孤獨癥兒童康復治療發展與創新

據《中國自閉癥教育康復行業發展狀況報告3》的數據表明，我國12歲以下患兒多達200余萬，且年增長率達到10%。同時，平均100名孤獨癥兒童里，只有2名兒童能夠得到專業的康復訓練。

在上個世紀末，隨著人們對自閉癥兒童的關注提高，我國有組織的自閉癥兒童康復也在逐漸興起。許多城市的特教機構逐漸開展對自閉癥兒童的康復教學訓練，也有一些政府承辦和民營組織專為自閉癥兒童設立了康復機構。它們均在推動自閉癥兒童康復事業發展的進程中發揮著重要和積極的作用。

隨著高性能電腦、手機的發展，人們對數字化的交互方式有了更廣泛的接觸。同時也大大降低了電子產品的傳播與應用門檻，在可預見的未來，數字化的輔療手段將成為未來自閉癥兒童康復研究中的重點，為更多的自閉癥兒童提供康復服務。虛擬現實技術為自閉癥譜系障礙（ASD）兒童提供了一種易獲得和高互動的媒介，使他們能夠在個性化、可控和安全的環境中學習和實踐技能。

然而，VR技術在自閉癥兒童教育中的應用還處于起步階段，大部分相關康復教育工作者，不具備設計開發孤獨癥兒童虛擬康復空間的技術。

二、VR虛擬空間輔療手段應用與分析

虛擬現實技術在教育領域一直備受關注，尤其是在虛擬仿真認知環節。基于VR技術的虛擬教學系統，有利參與者在系統設計的VR虛擬場景中對顯性知識進行直觀的三維理解，通過反復演練強化對規定知識的理解和掌握，有利于提高教育質量和效果。此外，虛擬現實允許重現一個社會情境，以幫助理解它是如何運作的。

應用于自閉癥學生的沉浸式虛擬現實環境的設計應該實現兩個主要目標：一方面是表情和行為個體現實意義，另一方面是社會意義。在第一個方面意味著虛擬空間要對自閉癥兒童的行為起到正向引導，減少其刻板行為、特定現象恐懼心理、暴沖等現象;第二個方面要著重增強自閉癥兒童與他人的交流，幫助他們走出自閉。同時，自閉癥兒童空間設計應遵循以下三個原則：安全原則，認知探索原則，趣味性原則。VR虛擬空間能非常方便地達到上述三個原則。安全原則體現在VR交互空間多為室內交互，并可以通過警示提醒、正向引導等手段提升兒童危險意識;認知探索原則可以通過詳細且系統的流程以及超越現實的豐富視聽展示手段來實現;趣味性原則可以通過模擬兒童喜歡的形象，以及獎勵機制大大提升兒童的主動交互興趣。

目前已經有部分國內外的研究人員設計了針對具體自閉癥兒童的虛擬現實暴露療法（virtual reality exposure therapy，VRET），是將傳統暴露心理療法通過軟件模擬，并且在視聽體驗上最大程度還原行為治療效果的一種新興技術。也是經典的現實情境暴露療法的替代性治療形式。虛擬現實整合了即時計算機圖形學、身體感覺傳感、視覺成像技術，給參與者提供近似真實的、可以沉浸和交互作用的虛擬環境。主要針對視覺與聽覺方面的康復強化。

但隨著計算機圖形技術的飛速發展，以及更好的虛擬引擎的研發，孤獨癥兒童康復虛擬空間能通過新技術的形式對VR交互體驗帶來極大的提升。

三、基于VR虛擬技術的孤獨癥康復服務設計應用

（一）實驗準備階段

1.VR開發的軟硬件選擇

目前市面上常見的VR開發引擎主要有兩款Unity3D和Unreal4，兩款軟件都具有較強的研發擴展性，并且已經有學者通過它們開發過為孤獨癥兒童的虛擬康復空間。為文章的實驗提供了先導性的論證。為在最大程度上保證康復空間的真實性，減少參與者在基礎VR設備時的不適，選擇了光影效果渲染更加真實的UNreal4引擎。

在VR頭顯硬件選擇上，有VR手機投屏，VR頭顯一體機以及連線式VR頭顯。其中：VR手機盒子最為廉價，成像效果差以及交互動作難以實現;一體機最為方便，雖然部分產品也會配備控制器，但性能一般用來觀看VR電影較為合適。連線式VR眼鏡雖然較為笨重，但是性能強勁視覺表現能力強，往往會配套多功能遙控器手柄。可開發性高，適用于開發互動性強，趣味性高的孤獨癥康復空間設計。其中我們選擇兼容性強的HTCvive作為具體使用硬件。并且該套設備可以通過兩個定位器來實現一定區域內的自由活動和高度判斷。

2.參與本實驗的孤獨癥兒童

在所有自閉癥兒童中有高功能孤獨癥兒童和低功能自閉癥兒童的區別，高低之分體現在自閉癥兒童是否有嚴重的智力障礙、語言能力是否嚴重缺失。考慮到自閉癥兒童的初期配合程度，文章選用的均為高功能自閉癥兒童，并且排除具有光學性癲癇以及3D眩暈癥的人群。

3.評測量表選定

改良笑臉評定量表：采用自我報告的模擬量表，采用圖片反應法，五張臉代表情緒表達，并附有簡短的描述性文本。同時通過顏色能使參與者快速區分表情之間的關系。

在實驗結束后，參與者根據自身體驗進行選擇一種評價。該體驗評價采用5分表形式，評分從1-5分別代表：不適應且不喜歡、難以適應、比較適應、快速適應、能適應且很喜歡，如圖1。

（二）實驗設計

在實驗開始時，我們會先播放較為舒緩的VR視頻，讓參與者適應VR眼鏡，視頻時長為5分鐘。

隨后打開起始交互空間，會通過UI設計進行簡單的VR控制器操作引導。如圖2，主要分為傳送與點擊。可以通過左手傳送，右手點擊。傳送功能設置為拋物線傳送，當采取拋物線方式傳送時，拋物線落點橫定在地面區域。由于在VR虛擬空間內，如果兩個可以移動到的區域出現了強烈的高度差，則會對參與者造成認知錯誤，因為現實世界中很難創造出這樣的環境。并且在拋物線方式傳送時，會對墻面、柱體等一定高度遮擋進行計算處理，當高度高于1M的障礙會設定為拋物線無法從上方越過。參與者的右手控制器會在虛擬空間內射出一條長度為5米的光線，用來輔助瞄準所選擇的按鈕、物體、開關等，從而實現多樣的交互。

在起始房間內設有特定的關卡選擇按鍵。參與者可以通過控制手柄來選擇自己想要加入的房間，文章根據VRET和CBT（cognitive-behavior therapy認知行為療法）理論一共設置了三個交互空間：

1.康復場地漫游空間，如圖3、4

我國大部分城市的自閉癥兒童并沒有獨屬于其群體的特教機構，往往和其他障礙兒童混合在一起接受護理和康復機構。同時社會也很難傾注大量資源來為孤獨癥兒童設計完善且全面的康復教育空間。如圖3，為武漢某自閉癥兒童康復中心的實際情況。場地為武漢市某工廠舊址的職工活動中心改造而成。由圖3顯示，其內部環境較差，雖然專門繪制了彩色墻繪，但是總體空間依然陰暗單調。而虛擬空間交互時，無需特別大的實際空間，并且可以做到更加豐富的體驗。因此無論是從節省成本的角度還是提升自閉癥兒童康復效果的角度，設計一款孤獨兒童虛擬康復空間變得尤為重要。

康復漫游場地按照1：1的實際大小來進行建模。根據現實中對于自閉癥兒童康復空間進行了模擬設置，可以用來評測自閉癥兒童對空間內的具體元素的喜愛程度，分別設置了前廳接待區、沙地沙盤區、伙伴交互娛樂區、生活技能模擬區等。但該場景主要以漫游參觀目的為主，并未按現實功能進行過多的交互設計。其中地面，墻面和大塊物體均設置了玩家碰撞，防止自閉癥兒童在體驗過程中發生肢體穿越和穿透模型的現象，降低參與體驗。保證自閉癥兒童盡量以設計好的動線路徑來進行游覽參觀。康復漫游場地整體設計整體立面簡潔，色彩明亮，并且墻面繪有卡通圖案，為自閉癥兒童提供了舒適的空間、趣味的體驗。

2.海邊交互空間

許多孤獨癥患兒對特定生活音源具有過激反應，這些刺激音源進一步導致他們難以參與到正常的社會活動中，進入更加自閉的惡性循環。因此，海邊交互空間旨在通過游戲的方式來幫助自閉癥兒童克服過敏音源。這些刺激音頻通過對患兒的老師與家長進行溝通，并且專門錄制。很多孤獨癥兒童的過敏音源可能不止一個，比如害怕汽車鳴笛聲，兒童合唱聲，以及同齡人的大聲尖叫等，如圖5。

為自閉癥患者開發的康復游戲的一個關鍵特征：以故事與任務來進行引導和指導型的互動，它提供了長期目標。在單獨設計的海邊交互空間中，孩子們會看到一個游戲內的角色（NPC，non-player character非玩家角色），他被設計成一個可愛的海洋公仔形象，負責為參與者提供交互任務指導。玩家必須幫助他尋找和解救分布被困在魔法海灘環境中海洋泡泡里的生物。在戳破有些海洋泡泡時發出的聲音可能會讓他們感到不安。每解救到一個生物，玩家將獲一定的分數，分數越高對于自閉癥兒童的表現評價越高。這種獎勵系統的方法已經包含在自閉癥患者的嚴肅游戲中，用于吸引玩家并鼓勵他們在游戲中表現出色。

將包含刺激聲音的海洋泡泡用不同的顏色來表示，而不包含刺激音源的海洋泡泡為最基礎的藍色。當玩家與包含他們恐懼刺激音源的泡泡互動時，分數獎勵會進一步加強。當這些生物被成功捕獲時，玩家將獲得額外的分數獎勵。這個額外的獎勵旨在鼓勵孩子主動與厭惡的聲音互動。在受試兒童完成戳泡泡的任務后，被釋放的動物動物會說“謝謝你”等正向激勵語言。

3.模擬購物空間

許多孤獨癥兒童具有強烈的社交障礙，而日常購物活動中難免發生與人交流、排隊、求助導購尋找商品等人際交互行為。因此，購買日用品這一生活中最常見的生活行為對于孤獨癥兒童來說也成為難題。

為了幫助孤獨癥兒童提前適應購物環境，文章建立了一個虛擬購物空間。內含可以通過VR控制器來購買商品的貨架多個，以及一個收銀員角色（NPC）。收銀員形象通過最新的MetaHuman技術制作，可以進行簡單的語言、表情、肢體動作交互。虛擬形象逼真，且動作流暢，以最大的真人仿真狀態與參與者進行溝通和交流。以期強化參與者的互動能力。虛擬交互空間在此環節具有高安全性，無變動風險，交互環節全部可以設計的優點。可以在最可靠的環境下幫助兒童提前適應環境，如圖6。

（三）實驗流程

在實驗開始前事先與輔導教師溝通，優先派出經常接觸并喜歡接觸手機電腦等電子產品的兒童參與實驗。并會邀請所在機構的輔導教師率先對每個空間進行體驗和游覽，檢測每個互動空間是否包含對自閉癥兒童的身心有損害的信息與環節。

在三個空間中，首先通過主界面空間按鈕擺放位置和語言引導，讓參與者依次游覽三個空間。三個空間的難度逐步遞增，在第一個康復漫游場地空間中，并未設置出走動、傳送和開門之外的互動環節。主要目的為讓參與兒童首先適應VR空間，該空間活動范圍較大可供其充分游覽適應，該環節設計體驗時間為3分鐘。

在第二個海邊空間中，互動環節設置較為簡單，且玩家需要做的任務只有尋找聲音氣泡和戳破聲音氣泡。以便自閉癥兒童能對動手互動環節有了初步的了解，并且通過分數獎勵的方法使其克服恐懼音源，該環節設計體驗時間為2分鐘。規定時間內，獲得的分數越高，對其能力評價也越高。

而第三個空間實驗流程較為復雜，設置了多個互動環節，受試兒童首先要開門走進事先設計好的商店空間，之后要去去貨架上挑選自己想要的貨品，最后要走到柜臺前完成支付貨款的任務。以模擬真實互動的環節幫助自閉癥兒童減緩社交恐懼的癥狀。該環節設計體驗時間為3分鐘。

（四）實驗結果

本次設計改善通過虛擬技術多方面改善了孤獨癥兒童康復方法不足的問題，大部分孤獨癥兒童對這些虛擬空間并未出現強烈不適應情況。借由VR控制器傳送移動選擇一片活動范圍，再通過設定空間內走動，允許用戶去到任何想去的地方，這樣的體驗方式讓虛擬空間可以被參與者自由探索，充分滿足了參與者的好奇心，更為用戶帶來高質量的體驗感受。將整體VR交互空間的可探索率提升到最高，充分利用每一塊空間。

所有受試兒童在全部試驗流程結束后根據笑臉3評測量表對本設計進行評分，除一名戴上VR頭顯后不敢睜眼的兒童外，其他兒童的評價均為5分。應該值得注意的是：本次評分的準確性有待考量，此結果不排除包含輔導教師對患兒平時進行的禮貌性教育的影響。除總體性評價外，我們還咨詢每位兒童對三個空間的分別喜愛程度，大部分兒童都選擇了第二個海邊互動空間，因為其較為卡通的設計風格以及游戲化的體驗流程，都更受兒童的喜愛。

在父母與教師的評價中，該套虛擬康復交互軟件在一定程度上解決了自閉癥兒童難以外出與他人交流溝通的難題。可以在足不出戶的情況下為患兒鋪好踏向社會的第一塊磚。虛擬空間，同時，在進行數據整合的時候，有相關學者針對第二個海洋實驗環境的結果指出：嚴肅游戲的康復效能固然突出，但也應注意到游戲的成癮性對兒童的影響，不能使得自閉癥兒童克服特定恐懼卻又陷入游戲游戲依賴。綜上所述，本次實驗利用虛擬技術在自閉癥患兒康復輔療環節中能起到補充和拓展的重要作用。驗證了國內外研究對于虛擬技術輔助療法的可行性。

結論與展望

對弱勢群體的關懷與設計與我們這個時代而言是一個循序漸進的主題，孤獨癥兒童的心理康護要結合時代先進技術，創新地開發與應用其價值。

孤獨癥在兒童群體中逐年高發，但是對其護理較高、康復手段較少的問題遲遲沒有一個良好的解決方案，基于虛擬現實技術的進步，為更多的孤獨癥患兒提供了心理康復的可能性。文章用虛擬現實技術的方式為自閉癥兒童提供了定制式的設計方案，以虛擬的空間的多種多樣的視聽表現來完成現實生活中難以實現的康復交互體驗。VR頭顯的尺寸與重量也存在著改良的空間，如果該項技術廣泛普及，長期配搭VR頭顯進行輔療，對自閉癥兒童的頭部和頸椎的發育時候是否有影響，以及佩戴的時長頻率對其發育影響的程度也沒有想關研究對其論證。更應注意到孤獨癥的致病原因復雜，僅僅幾套交互空間沒辦法決絕所有的兒童心理康復問題。我們應著手開發針對不同孤獨癥兒童的具體癥狀而設計的虛擬空間，并且密切關注虛擬技術在軟硬件上的綜合發展。以期用創新的技術與設計關愛和解決自閉癥兒童的成長問題。