東南大學薛澄岐團隊在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)境線索找到并到達目的地的過程，對于個體與周圍環(huán)境的互動至關(guān)重要。城市環(huán)境的布局和建筑屬性各不相同，導致人們的體驗、空間感知存在差異，這些差異會影響人們在尋路過程中的表現(xiàn)，從而影響尋路行為和認知狀態(tài)。同時，光照條件的變化也會影響感知，影響認知地圖和尋路行為。但是，不同城市環(huán)境類型和光照條件對行人尋路認知的影響研究有限。本研究提出了一種將VR（嵌入式全景照片）、眼動追蹤和腦電圖相結(jié)合的融合技術(shù)來采集同步數(shù)據(jù)，主要關(guān)注尋路過程中的感知行為、注意機制和神經(jīng)振蕩，旨在增強對尋路的認知過程的理解。

研究方法

本研究采用2×2混合實驗設計，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名受試者隨機分配到4個場景中的兩個。

研究開始之前進行了場地可用性評估，確保城市環(huán)境具有代表性，并盡量減少虛擬現(xiàn)實與真實環(huán)境之間的差異。

本研究包括兩個基本任務：自由觀察和路徑選擇（見圖1和表1）。

自由觀察：自由觀察任務允許受試者在場景中不受限制地移動，增加對環(huán)境的熟悉，模擬無目的行走。

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

圖1 實驗任務和現(xiàn)場路線設置（每條路線上的點表示照片點，并進行相應調(diào)整）

表1 行人的尋路任務

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

圖2 實驗任務和現(xiàn)場路線設置。(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 實驗的工具及設備

實驗流程

01

實驗前：評估受試者對場景的熟悉程度，排除那些高度熟悉的場景，以減少熟悉度偏差。

02

在正式實驗前，受試者熟悉VR控制并佩戴VR設備。

03

填寫基本信息問卷，采集靜息態(tài)腦電信號并在結(jié)束后佩戴VR設備進入虛擬環(huán)境，進行眼動校準。

04

正式進行實驗，自由觀察和路徑選擇兩項任務連續(xù)進行。在完成自由觀察并到達路徑選擇節(jié)點后，彈出窗口提示進入下一個任務階段。受試者使用鍵盤進行導航，到達目的地后，屏幕顯示“到達”。受試者可以回顧之前的步驟，改變決定，或改變路徑。每個受試者都經(jīng)歷了兩次不同場景的正式實驗。

05

實驗后的訪談，了解影響行為的心理因素以及在實驗中遇到的印象深刻的場景。

圖4 實驗流程

研究結(jié)果

1.行為學的結(jié)果

任務完成時間：

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

決策時間：

統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，光環(huán)境的主效應顯著（p = 0.043），日間決策時間高于夜間決策時間。但是，城區(qū)的主效應不顯著（p = 0.146），城區(qū)與光環(huán)境的交互作用不顯著（p = 0.152)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，住宅區(qū)比商業(yè)區(qū)花更多的時間在決策上。在商業(yè)區(qū)，行人的決策時間在白天和夜間存在顯著差異，白天的決策時間比夜間更長。

平均速度：

各城市環(huán)境下受試者完成尋路任務的平均速度結(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）。進一步的簡單效應分析發(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 行人在尋路過程中的任務完成時間、決策時間和平均速度的均值與標準差

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

2.眼動的結(jié)果

圖6顯示了所有條件下PD（瞳孔擴張）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)尋路的認知負荷更高。此外，住宅區(qū)和商業(yè)區(qū)白天的PD均小于夜間。對PD方差進行統(tǒng)計分析（見表7和圖8），發(fā)現(xiàn)城區(qū)的主效應顯著（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)在決策過程中瞳孔擴張（PD）隨時間的百分比(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)域為95%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)計結(jié)果（見圖7和表3）顯示，城區(qū)（p = 0.636）和光環(huán)境（p = 0.230）的主效應不顯著。城區(qū)與光環(huán)境的交互作用不顯著（p = 0.470）。進一步檢驗結(jié)果表明，住宅區(qū)與商業(yè)區(qū)行人的α功率無顯著差異。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。這說明受試者在住宅區(qū)和白天接觸到更多的刺激因素，導致更高的認知負荷。

枕頂區(qū)β功率的統(tǒng)計結(jié)果（見圖8和表3）顯示，城區(qū)的主效應顯著（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策時經(jīng)歷了更大的波動，增加的β活動阻礙了他們導航和準確記憶環(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 受試者尋路過程中額葉α功率和θ / β比值（TBR）、枕頂葉β功率的均值和標準差。

研究結(jié)論

本研究利用腦電（EEG）和眼動追蹤方法，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)）中行人對尋路的反應。并使用行為表現(xiàn)指標、眼動數(shù)據(jù)和腦電圖信號來評估受試者在尋路任務中的感知決策、任務執(zhí)行和認知負荷。

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

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

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知過程，從橫截面和縱向角度揭示了空間感知、決策時間和認知負荷的差異。本研究為比較不同城市時空環(huán)境下行人的尋路認知提供了初步證據(jù)，對未來復雜城市環(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