東南大學(xué)薛澄岐團(tuán)隊(duì)在Advanced Engineering Informatics期刊（IF=8.0）發(fā)表了題為“Cognitive characteristics in wayfinding tasks in commercial and residential districts during daytime and nighttime: A comprehensive neuroergonomic study” 的文章。

研究背景

尋路，即利用環(huán)境線索找到并到達(dá)目的地的過(guò)程，對(duì)于個(gè)體與周?chē)h(huán)境的互動(dòng)至關(guān)重要。城市環(huán)境的布局和建筑屬性各不相同，導(dǎo)致人們的體驗(yàn)、空間感知存在差異，這些差異會(huì)影響人們?cè)趯ぢ愤^(guò)程中的表現(xiàn)，從而影響尋路行為和認(rèn)知狀態(tài)。同時(shí)，光照條件的變化也會(huì)影響感知，影響認(rèn)知地圖和尋路行為。但是，不同城市環(huán)境類型和光照條件對(duì)行人尋路認(rèn)知的影響研究有限。本研究提出了一種將VR（嵌入式全景照片）、眼動(dòng)追蹤和腦電圖相結(jié)合的融合技術(shù)來(lái)采集同步數(shù)據(jù)，主要關(guān)注尋路過(guò)程中的感知行為、注意機(jī)制和神經(jīng)振蕩，旨在增強(qiáng)對(duì)尋路的認(rèn)知過(guò)程的理解。

研究方法

本研究采用2×2混合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，城區(qū)(住宅區(qū)與商業(yè)區(qū)，即RD vs. CD)作為受試者內(nèi)部變量，光環(huán)境（白天vs.夜間）作為受試者間變量。將43名受試者隨機(jī)分配到4個(gè)場(chǎng)景中的兩個(gè)。

研究開(kāi)始之前進(jìn)行了場(chǎng)地可用性評(píng)估，確保城市環(huán)境具有代表性，并盡量減少虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)環(huán)境之間的差異。

本研究包括兩個(gè)基本任務(wù)：自由觀察和路徑選擇（見(jiàn)圖1和表1）。

自由觀察：自由觀察任務(wù)允許受試者在場(chǎng)景中不受限制地移動(dòng)，增加對(duì)環(huán)境的熟悉，模擬無(wú)目的行走。

路徑選擇：路徑選擇是指行人做出決策并導(dǎo)航到指定的目的地。主試觀察受試者的路徑選擇，同時(shí)保持沉默，盡量減少干擾。但是，如果做出錯(cuò)誤的決定，主試也會(huì)提醒受試者。

圖1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)路線設(shè)置（每條路線上的點(diǎn)表示照片點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整）

表1 行人的尋路任務(wù)

使用全景相機(jī)拍攝了商業(yè)區(qū)和住宅區(qū)在白天和夜間的場(chǎng)景，然后使用集成VR和眼動(dòng)的設(shè)備構(gòu)建虛擬環(huán)境（詳見(jiàn)圖2）。使用32通道的ActiCHamp EEG信號(hào)放大器（德國(guó)Brain Products公司生產(chǎn)，深圳瀚翔腦科學(xué)技術(shù)股份有限公司全國(guó)總代理）采集腦電信號(hào)，采樣率設(shè)置為1000Hz（詳見(jiàn)圖3）。

圖2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)路線設(shè)置。(a)和(c)分別為住宅區(qū)白天和夜間的景象；(b)和(d)分別為商業(yè)區(qū)白天和夜間的景象

圖3 實(shí)驗(yàn)的工具及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)流程

01

實(shí)驗(yàn)前：評(píng)估受試者對(duì)場(chǎng)景的熟悉程度，排除那些高度熟悉的場(chǎng)景，以減少熟悉度偏差。

02

在正式實(shí)驗(yàn)前，受試者熟悉VR控制并佩戴VR設(shè)備。

03

填寫(xiě)基本信息問(wèn)卷，采集靜息態(tài)腦電信號(hào)并在結(jié)束后佩戴VR設(shè)備進(jìn)入虛擬環(huán)境，進(jìn)行眼動(dòng)校準(zhǔn)。

04

正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自由觀察和路徑選擇兩項(xiàng)任務(wù)連續(xù)進(jìn)行。在完成自由觀察并到達(dá)路徑選擇節(jié)點(diǎn)后，彈出窗口提示進(jìn)入下一個(gè)任務(wù)階段。受試者使用鍵盤(pán)進(jìn)行導(dǎo)航，到達(dá)目的地后，屏幕顯示“到達(dá)”。受試者可以回顧之前的步驟，改變決定，或改變路徑。每個(gè)受試者都經(jīng)歷了兩次不同場(chǎng)景的正式實(shí)驗(yàn)。

05

實(shí)驗(yàn)后的訪談，了解影響行為的心理因素以及在實(shí)驗(yàn)中遇到的印象深刻的場(chǎng)景。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程

研究結(jié)果

1.行為學(xué)的結(jié)果

任務(wù)完成時(shí)間：

任務(wù)完成時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2和圖5所示所示，城區(qū)的主效應(yīng)顯著（p = 0.003），住宅區(qū)的任務(wù)完成時(shí)間高于商業(yè)區(qū)。然而，光環(huán)境的主效應(yīng)不顯著（p = 0.097），城區(qū)與光環(huán)境的交互效應(yīng)不顯著（p = 0.078）。

決策時(shí)間：

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，光環(huán)境的主效應(yīng)顯著（p = 0.043），日間決策時(shí)間高于夜間決策時(shí)間。但是，城區(qū)的主效應(yīng)不顯著（p = 0.146），城區(qū)與光環(huán)境的交互作用不顯著（p = 0.152)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，住宅區(qū)比商業(yè)區(qū)花更多的時(shí)間在決策上。在商業(yè)區(qū)，行人的決策時(shí)間在白天和夜間存在顯著差異，白天的決策時(shí)間比夜間更長(zhǎng)。

平均速度：

各城市環(huán)境下受試者完成尋路任務(wù)的平均速度結(jié)果如表2所示，城區(qū)（p = 0.568）、光環(huán)境（p = 0.288）的主效應(yīng)不顯著。城區(qū)與光環(huán)境之間存在顯著的交互作用（p = 0.036）。進(jìn)一步的簡(jiǎn)單效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，居民區(qū)行人的平均速度在白天和夜間存在顯著差異，夜間平均速度高于白天。而城區(qū)與光環(huán)境之間不存在交互作用（p = 0.533）。

表2 行人在尋路過(guò)程中的任務(wù)完成時(shí)間、決策時(shí)間和平均速度的均值與標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 參與者在住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)尋路任務(wù)中的表現(xiàn)。A為行人完成尋路任務(wù)的平均任務(wù)完成時(shí)間；B為行人完成尋路任務(wù)的平均決策時(shí)間；C表示行人完成尋路任務(wù)的平均速度

2.眼動(dòng)的結(jié)果

圖6顯示了所有條件下PD（瞳孔擴(kuò)張）的持續(xù)下降，與商業(yè)區(qū)相比，住宅區(qū)的PD明顯更高，表明商業(yè)區(qū)尋路的認(rèn)知負(fù)荷更高。此外，住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)白天的PD均小于夜間。對(duì)PD方差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表7和圖8），發(fā)現(xiàn)城區(qū)的主效應(yīng)顯著（p = 0.004），住宅區(qū)的PD方差大于商業(yè)區(qū)。此外，光環(huán)境的主效應(yīng)顯著（p = 0.001），在住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)，夜間的PD方差均高于白天。

圖6 A為住區(qū)和商業(yè)區(qū)在決策過(guò)程中瞳孔擴(kuò)張（PD）隨時(shí)間的百分比(深綠色和深黃色分別表示住區(qū)和商業(yè)區(qū)所有參與者的平均值；淺綠色和淺黃色區(qū)域?yàn)?5%置信區(qū)間)；B為不同條件下PD的方差

3.腦電的結(jié)果

額區(qū)α功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)圖7和表3）顯示，城區(qū)（p = 0.636）和光環(huán)境（p = 0.230）的主效應(yīng)不顯著。城區(qū)與光環(huán)境的交互作用不顯著（p = 0.470）。進(jìn)一步檢驗(yàn)結(jié)果表明，住宅區(qū)與商業(yè)區(qū)行人的α功率無(wú)顯著差異。住宅區(qū)功率譜密度略高于商業(yè)區(qū)，白天功率譜密度普遍高于夜間功率譜密度。這說(shuō)明受試者在住宅區(qū)和白天接觸到更多的刺激因素，導(dǎo)致更高的認(rèn)知負(fù)荷。

枕頂區(qū)β功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)圖8和表3）顯示，城區(qū)的主效應(yīng)顯著（p < 0.001），表明住宅區(qū)的β功率高于商業(yè)區(qū)。這表明，受試者在住宅區(qū)的路徑?jīng)Q策時(shí)經(jīng)歷了更大的波動(dòng)，增加的β活動(dòng)阻礙了他們導(dǎo)航和準(zhǔn)確記憶環(huán)境的能力，影響了他們的空間感知。然而，光環(huán)境的主效應(yīng)不顯著（p = 0.414），城區(qū)與光環(huán)境的交互作用不顯著（p = 0.841）。

圖7 A和B分別描繪了額區(qū)α功率譜密度的地形和箱形圖。RD和CD分別代表住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)

圖8 A和B分別描繪了不同城市環(huán)境下枕頂區(qū)β功率的地形和箱形圖。RD和CD分別代表住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)

表3 受試者尋路過(guò)程中額葉α功率和θ / β比值（TBR）、枕頂葉β功率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

研究結(jié)論

本研究利用腦電（EEG）和眼動(dòng)追蹤方法，調(diào)查了不同城市環(huán)境和照明環(huán)境（白天或夜間的住宅或商業(yè)區(qū)）中行人對(duì)尋路的反應(yīng)。并使用行為表現(xiàn)指標(biāo)、眼動(dòng)數(shù)據(jù)和腦電圖信號(hào)來(lái)評(píng)估受試者在尋路任務(wù)中的感知決策、任務(wù)執(zhí)行和認(rèn)知負(fù)荷。

住宅區(qū)與商業(yè)區(qū)行人在感知決策階段的決策時(shí)間無(wú)顯著差異。但是，住宅區(qū)的決策時(shí)間要比商業(yè)區(qū)長(zhǎng)。

在任務(wù)執(zhí)行方面，本研究發(fā)現(xiàn)不同城市環(huán)境下受試者的任務(wù)完成時(shí)間存在顯著差異，住宅區(qū)的任務(wù)完成時(shí)間比商業(yè)區(qū)的要長(zhǎng)。但是，這兩個(gè)區(qū)域的平均速度沒(méi)有顯著差異。

本研究首次直接比較了住宅和商業(yè)環(huán)境中行人在白天和夜間的認(rèn)知過(guò)程，從橫截面和縱向角度揭示了空間感知、決策時(shí)間和認(rèn)知負(fù)荷的差異。本研究為比較不同城市時(shí)空環(huán)境下行人的尋路認(rèn)知提供了初步證據(jù)，對(duì)未來(lái)復(fù)雜城市環(huán)境下行人尋路能力和心理生理的研究具有重要意義。

聲明

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1474034624001824?via%3Dihub