基于VRET的恐高治療系統(tǒng)設計

摘" 要" 近年來，VR技術逐漸進入人們的生活，憑借沉浸性、交互性、想象性等特點備受人們青睞，在心理治療方面得到廣泛應用。從VR技術在心理治療領域的應用現(xiàn)狀，引出虛擬現(xiàn)實暴露療法（VRET）這一理念，基于VRET設計一種能夠對恐高癥患者起到治療效果以及能夠讓人們適應高空環(huán)境的系統(tǒng)，為今后該領域的相關研究提供借鑒。

關鍵詞" VR技術；恐高癥；心理治療；VRET；Unity 3D

中圖分類號：R496" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）08-0033-04

0" 引言

傳統(tǒng)治療心理疾病患者的心理治療技術有行為療法、認知療法、情志療法等，均是在治療的過程中以引導患者聯(lián)想或回憶的方式為恐高癥患者進行治療。如今在VR技術的輔助之下，患者從視、聽、觸覺全方位融入構建的虛擬環(huán)境中，仿佛置身于真實環(huán)境中一般。在虛擬環(huán)境中，患者的視覺、想象更為生動活潑，這為VR技術與傳統(tǒng)心理治療的融合創(chuàng)造了結合點。

1" VR技術在心理治療中的應用

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實）指采用以計算機技術為核心的現(xiàn)代高科技手段生成逼真的視、聽、觸、嗅、味覺等一體化的虛擬環(huán)境，用戶借助一些特殊的輸入與輸出設備，采用自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互，相互影響，從而產生身臨其境的感受和體驗。VR技術憑借沉浸性、交互性和想象性的特點，能夠讓身處虛擬環(huán)境中的使用者難以分清周圍事物的真假，如同身處現(xiàn)實場景中一般[1]。在VR技術出現(xiàn)之前，治療創(chuàng)傷后應激障礙、焦慮癥和恐懼癥最常見的方法是認知行為療法和暴露療法[2]。在近幾十年中，投身VR領域的研究者不斷嘗試將VR技術與各行各業(yè)相結合。1993年，VR技術被應用在心理咨詢領域，為心理治療技術的發(fā)展開創(chuàng)全新的局面，可從各個方面提升亞健康人群及精神疾病患者人群的生活水平。

1.1" 創(chuàng)傷后應激障礙治療

創(chuàng)傷后應激障礙是人們在遭受到巨大創(chuàng)傷型事故或者是重大災難后較常出現(xiàn)的一種心理疾病。Bar-bara O. Rothbaum等[3]用VR技術模擬戰(zhàn)場環(huán)境，使患者暴露在戰(zhàn)場環(huán)境中逐漸適應，直到消除癥狀。

1.2" 焦慮癥治療

VR技術對焦慮癥治療有更好的效果。已有研究顯示，焦慮癥患者通過運用VR技術開發(fā)的APP進行自主訓練后，焦慮癥狀有明顯改善[4]。

1.3" 恐懼癥治療

傳統(tǒng)治療恐懼癥的方法通常為暴露療法，可以分為實景暴露和想象暴露。但傳統(tǒng)的暴露療法對患者的治療有一定的局限性，并不能達到較好的治療效果。Daniel Freeman等[5]通過運用VR技術開發(fā)的APP，將患者帶到一棟十層辦公大樓中（如在樓上打球、走動等）進行治療，打破了傳統(tǒng)暴露療法的局限性，治療效果更好。

2" VRET概述及優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實暴露療法（Virtual Reality ExposureTherapy，VRET）是利用VR技術在傳統(tǒng)暴露療法的基礎上提出的一種新興的治療方式。一些研究者早在1992年就開展了關于VRET的實驗，其方法是利用三維計算機圖形技術生成一個虛擬世界，采用特殊的交互設備，運用相關技術，誘發(fā)出心理障礙患者的焦慮情緒，讓患者在虛擬場景中保持焦慮情緒，逐漸適應場景并最終克服心理障礙。與傳統(tǒng)的暴露療法相比較而言，VRET的優(yōu)勢在于具有一定的沉浸性、安全性、可重復性的特點。

2.1" 沉浸性

VR技術可提供各種直觀的感官刺激，當體驗者身處虛擬環(huán)境中時，可以看到各種逼真景象，聽到不同的聲音，觸摸場景中的物體，感覺像是真的身處現(xiàn)實場景環(huán)境當中。VR技術逼真的臨場感以及強沉浸性的特征有利于對患者實施治療，幫助患者呈現(xiàn)心理問題，全身心投入治療。

2.2" 安全性

利用VR技術創(chuàng)造安全的仿真環(huán)境，身處其中的患者可以大膽地體驗和探索，當出現(xiàn)緊急情況時，治療者可以隨時停止治療，大大降低被治療者因治療過程中部分不可控因素而受到傷害的風險。利用該治療技術可以讓參與者有更多的自主選擇權，根據(jù)患者的實際情況和心理障礙程度設計治療過程，營造個人化的治療環(huán)境。在治療的過程中，可以隨時調整治療方案，控制反應變量。

2.3" 可重復性

VR技術可以提高心理治療效率，模擬各式各樣的仿真虛擬環(huán)境，與傳統(tǒng)治療方式相比，更好地解決針對不同的病患需要更換不同的治療場地的問題。例如：在恐高癥的治療中，讓患者想象自身處于幾十米的高空中十分困難，然而利用VR技術則可以輕松地提供一場逼真的高空體驗，治療者可以通過不斷變換所處樓層的高度，達到反復刺激的效果，各種困難、失誤、無法預測的事件和戲劇性的結果都可以反復練習，大大降低心理治療的成本，增加受益范圍。

3" 基于VRET的恐高治療系統(tǒng)設計

恐高治療系統(tǒng)的設計從暴露療法的治療理論出發(fā)，結合VR技術，通過對VRET的可行性分析發(fā)現(xiàn)對恐高癥患者使用VRET治療具有一定效果[6]?；赩RET理念設計的恐高治療系統(tǒng)可以更好地對患者進行治療，將患者一次次地暴露在高空虛擬環(huán)境中，直到患者適應高空狀態(tài)。恐高癥的治療系統(tǒng)設計流程圖如圖1所示。

本恐高治療系統(tǒng)構建一個以“No Fear”為主題的虛擬環(huán)境，運用文字提示指導恐高癥患者在場景中進行恐高癥的治療。與其他恐高治療系統(tǒng)不同的是，該治療系統(tǒng)在設計時，除了包含恐高治療模塊，還兼具恐高測試模塊。針對恐高患者耐高度進行問卷調查發(fā)現(xiàn)，不同患者在不同高度時會有癥狀表現(xiàn)[7]。在此基礎上，本治療系統(tǒng)分別將5樓、10樓及18樓設定對應輕度（5樓）、中度（10樓）及重度（18樓）恐高難度。在助療者不明恐高癥患者恐高程度時，可通過治療系統(tǒng)中設定的三個不同樓層高度，對患者患病程度進行判斷，確認患者患病程度為重度、中度或輕度后，可在助療者輔助下進入治療模塊，對患者進行針對性治療。助療者可以根據(jù)恐高癥患者的反應，引導處于恐高治療系統(tǒng)中的患者加以不同強度的刺激，使其能夠最終適應高空的感覺，從而達到治療的目的。

“No Fear”恐高治療系統(tǒng)整體實施設計分為虛擬環(huán)境構建、交互功能實現(xiàn)以及可視化數(shù)據(jù)反饋三大模塊，該系統(tǒng)的虛擬環(huán)境構建主要運用實時三維圖形技術生成虛擬場景中的物體，并對虛擬場景進行優(yōu)化。交互功能的實現(xiàn)主要采用Unity 3D及VR頭顯設備進行場景交互。治療系統(tǒng)上的設備主要是通過心率檢測儀對患者病情上的變化進行記錄與控制。

3.1" 虛擬場景構建

虛擬場景的構建主要包括場景模型構建、貼圖材質繪制、優(yōu)化模型輸出等流程。在場景模型構建上主要采用C4D建模軟件制作。該項目主要運用層次建模法及屬主建模法對場景模型進行構建，在場景構建過程中為防止VR頭顯端運行時出現(xiàn)卡頓等現(xiàn)象，可采用可見消隱、LOD層次細節(jié)、紋理映射等技術來減小需要處理的圖元數(shù)量。該項目在對多面數(shù)模型場景的優(yōu)化上選取可見消隱技術及LOD技術，大幅度減小硬件運算壓力，提高幀刷新率，對大型場景渲染可以進行很好的優(yōu)化處理。紋理映射可在二維平面設計軟件中完成，包括材質貼圖、法線貼圖以及凹凸貼圖等?？指甙Y治療系統(tǒng)中的三維模型場景如圖2所示。

搭建Unity 3D環(huán)境主要分為UI元素制作、地形繪制、燈光烘焙、材質優(yōu)化四個部分。在UI元素制作中，主要使用二維平面設計軟件進行素材的準備，結合Canvas系統(tǒng)創(chuàng)建UI交互按鈕及界面；在地形繪制時，使用Terrian地形系統(tǒng)對虛擬環(huán)境中的土地、樹木、花、草等進行添加；運用軟件中的Lighting燈光烘焙功能對場景的燈光光影進行烘焙，防止在轉入頭盔端時占用過高的算力而導致畫面卡頓，影響真實體驗感。

3.2" 交互功能實現(xiàn)

在交互實現(xiàn)環(huán)節(jié)主要通過面向對象的編程語言實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的互動，最后運用粒子特效系統(tǒng)等功能完善Unity 3D中虛擬環(huán)境的搭建，并編寫交互代碼。“No Fear”項目中電梯的控制交互代碼及運行畫面如圖3所示。實現(xiàn)恐高治療系統(tǒng)中的交互，通過計算機語言輔助和調取到的DoTween插件，控制場景中的電梯等各部件物體位置變化，讓場景中的電梯能夠在虛擬空間中通過手動操控到達不同樓層。利用Steam VR和VRTK兩個插件將設備端與U3D進行連接，并通過VRTK_SDK manager進行設備手柄和頭盔端的數(shù)據(jù)接入，使虛擬現(xiàn)實設備或者體感交互設備與U3D軟件相結合，增強患者的臨場體驗感，營造出逼真的視聽環(huán)境。

3.3" 可視化數(shù)據(jù)反饋

VR頭盔等交互設備可以大幅度增加患者的臨場體驗感，讓患者更直觀地感受仿真虛擬環(huán)境中的物體。針對恐高癥治療的“No Fear”恐高治療系統(tǒng)采用inside-out追蹤頭顯設備進行開發(fā)設計。此類設備不需要外部基站進行空間定位，具有更多樣的移動性與更高的自由度。該項目中數(shù)據(jù)從電腦端輸出到VR頭顯，患者通過大腦感知畫面進行治療后產生相應的心理變化，心率檢測儀對患者的心率進行數(shù)據(jù)收集，最后將數(shù)據(jù)傳遞到顯示器進行記錄。可視化數(shù)據(jù)反饋功能流程圖如圖4所示。

4" 結束語

VR與心理治療的結合日益緊密，飛行恐懼癥、蜘蛛恐懼癥等都可以通過VRET得到較好的治療。VRET具有良好的可重復性，可以大大降低運營成本；同時具有很好的安全性，可以減少傳統(tǒng)暴露療法將患者帶到真實場景中可能會產生的不可控因素。但VRET還處在發(fā)展中，仍存在一些問題。一方面，VRET必須結合VR頭盔設備一同使用，所以避免不了會有一部分使用者產生動暈癥，頭暈的現(xiàn)象會給治療帶來不便；另一方面，在虛擬現(xiàn)實設備上運行高精度真實場景模型的卡頓問題限制虛擬場景的仿真效果，導致虛擬場景與現(xiàn)實場景無法完全相似，一定程度上會影響治療效果。未來用戶體驗感方面的提升將是VRET重點考慮的因素。

參考文獻

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作者：姚興宇，江西現(xiàn)代職業(yè)技術學院設計學院、南昌市VR感知交互重點實驗室碩士研究生，研究方向為中小學教育、虛擬現(xiàn)實；胡小強，江西科技師范大學、南昌市VR感知交互重點實驗室，教授，碩導，江西省高校中青年“學術帶頭人”、中國圖像圖形學學會VR專委會副秘書長、江西省首批入選高等教育研究專家?guī)斐蓡T、江西省中小學教學指導委員會技術與綜合實踐組組長，研究方向為虛擬現(xiàn)實（330000）。