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在真实和虚拟环境中的距离感知
Jodie M. Plumert Joseph K. Kearney James F. Cremer
摘要
进行了两个实验，以比较真实和虚拟环境中的距离感知。在实验1中，成年人通过看着站在20到120英尺外的目标人，通过启动和停止秒表来估计在真实和虚拟环境中步行到目标所需要的时间。真正的环境是一所大学楼前的大草坪。我们使用一个非立体的大屏幕沉浸式显示系统在我们的虚拟环境中复制了这个场景。我们发现，人们低估了在两种环境中行走40-60英尺及以上距离的时间。然而，在两种环境中步行时间的估计几乎是相同的。在实验2中，10岁和12岁的儿童和成年人估计在有视力和无视力的情况下在真实和虚拟环境中行走的时间。成年人再次低估了在两种环境中行走60英尺及以上的时间。同样，无论有无视觉，他们在真实和虚拟环境中的估算值实际上都是相同的。在两种观看条件下，儿童在两种环境下的行走时间估计值也非常相似。我们得出结论，在大屏幕沉浸式显示器的虚拟环境中的距离感知可能比涉及头戴式显示器（HMD）的虚拟环境更好。
关键字：虚拟环境，大屏幕沉浸式显示器，距离估计，感知
介绍
虚拟环境作为研究人类行为的工具正得到广泛的接受（Loomis，Blascovich，＆Beall，1999; Plumert，Kearney，＆Cremer，印刷中）。使用各种虚拟环境研究问题涉及从儿童的过马路行为（Plumert等，印刷中）到成年人的避碰行为（Cutting，Vishton和Braren，1995）。当使用虚拟环境来研究人类行为时，一个明显的问题是，虚拟环境中的行为与真实环境中的行为在多大程度上对应?虽然虚拟环境是一种令人兴奋的新媒介，用于研究在现实和控制条件下难以研究的问题，但如果虚拟环境缺乏生态有效性，这些实验结果的价值就值得怀疑。在虚拟环境中，人们的行为越来越受到重视，其中一个重要的方面就是距离感知。显然，无论是在自然环境还是虚拟环境中，距离感知都是人类行为的基础。像把球扔向一个目标，或驾驶自行车绕过一个障碍物等任务要求观察者准确地感知事物与自身的距离。鉴于距离感知对人类行为的重要性，评估距离感知在真实和虚拟环境中的对应程度至关重要。我们通过让人们在真实环境和沉浸式虚拟环境中判断相同的距离来解决这个问题。
相关研究
人们在自然环境中感知距离的能力如何好？关于人们在自然环境中如何感知以自我为中心的距离（即与自我的绝对距离）和以人为中心的距离（即物体之间的相对距离），已经进行了大量的研究。使用视觉指导判断来评估距离感知的研究通常发现人们会随着身体距离的增加而逐渐降低以自我为中心的距离（例如，Gilinsky，1951; Harway，1963; Loomis，Da Silva，Fujita，＆Fukusima，1992）。例如，当要求将地平面上的深度间隔与额面的间隔进行匹配时，人们总是选择过大的深度间隔（Loomis等，1992）。换句话说，人们感觉到相同的间隔在深度平面上比在额面平面上短。相反，使用视觉指导的行为来评估距离感知的研究通常会发现人们非常擅长感知距离（Loomis等，1992； Philbeck＆Loomis，1997； Rieser，Ashmead，Taylor和Youngquist，1990）。研究表明，在没有视觉的情况下，人们可以很准确地行走到之前看到的目标，特别是在所谓的行动空间(约20米)内。超过20米左右，人们在没有视觉的情况下行走时，往往会低于目标距离。总之，这些研究表明，视觉和物理空间之间的映射在感知上是扭曲的，而不是在行动上。
人们在虚拟环境中感知距离的能力如何？ 最近的许多研究表明，人们低估了虚拟环境中的距离（Loomis和Knapp，2003；Thompson，Willemsen，Gooch，Creem-Regehr，Loomis和Beall，印刷中； Willemsen和Gooch，2002）。例如，Loomis和Knapp（2003）使用立体HMD系统研究了虚拟环境中以自我为中心的距离的感知。人们查看了位于地平面上的球体，距离分别为2,6和18 m。在三角测量任务中，人们首先查看目标，然后从目标转向，然后在没有视觉的情况下行走约3 m。在停止点，人们试图面对先前查看过的目标。指向误差表明人们低估了距离大约2倍。在另一项涉及HMD的虚拟环境中研究距离估计的研究中，Whitmer和Sadowski（1998）比较了在真实走廊中蒙着双眼走路与在虚拟走廊中的跑步机上蒙着双眼走路。在这两种环境中，人们都看到了目标，然后试图在没有视线的情况下走向目标。他们发现，在真实环境中，目标距离的平均误差在1%到11%之间，在虚拟环境中，误差在2%到18%之间。在这两种环境中，平均误差随目标距离的增加而线性增加。有趣的是，对无符号相对误差的分析表明，虚拟环境中的误差比真实环境中的误差大。此外，人们在两种环境中都有更大的误差，当他们第一次体验虚拟环境时比他们第一次体验真实环境时。总之，这些研究表明，在虚拟环境中，人们的距离感知被不同程度地扭曲了。
但是，人们低估了虚拟环境相对于真实环境的距离这一结论可能为时过早。 迄今为止，检验虚拟环境中距离感知的研究都使用了头戴式显示器（HMD）系统。 HMD在水平和垂直方向上都提供了有限的视场。最近，Wu，Ooi和He（2004）研究了垂直和水平视场（FOV）对真实环境中距离感知的影响。 要求受试者通过缩小垂直或水平视场的狭缝观察时判断到目标的距离。他们发现，当水平FOV不受限制，而垂直FOV限制在21度或更低时，受试者低估了距离。然而，当他们的垂直FOV是不受限制的，而水平FOV是受限制的，受试者表现得和在全视野条件下一样好。他们推测，当主体和目标之间的整个区域都是可见的时候，人们能够更好地整合沿着地平面的距离。然而，Creem-Rehehr等人(2004)最近的研究表明，不能看到一个人的脚周围的区域(典型的HMDs特征)并不影响人们在自然环境中感知距离的能力。因此，在涉及hmd的虚拟环境中，垂直FOV受限制的程度可能会对距离感知产生重要影响。
关于人们在使用诸如cave之类的大屏幕沉浸式显示系统(lsid)的虚拟环境中如何感知距离，人们知之甚少。与hmd相比，大屏幕环境通常提供更大的视野，这可能使感知自我中心距离更容易。在本次研究中，我们使用LSID系统在虚拟环境中检验了距离估计值，并通过要求人们估计到达20至120英尺距离的目标需要多长时间，来测量距离感知。参与者在想象开始走向目标时启动秒表，想象到达目标时停止秒表，以此估计步行到每个目标距离需要多长时间。参与者在真实环境(大学楼前的大草坪)和虚拟环境(真实环境的模拟版本)中估算步行时间。将两种环境下的步行时间估计值与从基线步行任务得出的实际步行时间估计值进行比较。参与者首先在真实环境中进行估计，或者在虚拟环境中首先进行估计。
实验一
方法
参加者
24名本科生为了课程学分参加实验。其中女性13名，男性11名。
设备和材料
使用手持秒表记录参与者的时间估计，并使用卷尺测量目标距离。
实验设置
真实的环境。真实的环境是一座大学楼前的一片开阔的草坪(图1)。(请注意，真实环境的图片是在虚拟环境中使用的视点附近拍摄的。)
虚拟环境。虚拟环境是一个场景，描述了作为真实环境的场景(图2)。这个场景显示在三个10英尺宽的x 8英尺高的屏幕上，彼此成直角放置，形成一个三面墙的房间。屏风被安置在房间地板上方18英寸的地方。
一条黑色的裙子从屏风的底部垂到地板上。参与者站在两个侧屏之间，距离前屏8英尺。三个Electrohome DLV 1280投影仪被用来将高分辨率、有纹理的图形投射到屏幕上(每个屏幕上有1280 x 1024像素)，为参与者提供270度的非立体沉浸式视觉图像。场景的视角根据每个参与者的眼睛高度进行调整。参与者用双眼观看场景。实验是在一台拥有8个处理器的SGI Onyx计算机上进行的，该计算机具有无限的现实图形。软件基础是Hank模拟器，一种用于支持复杂场景的实时地面车辆仿真系统(Cremer,Kearney， amp; Willemsen, 1997;威廉森，科尔尼，amp;王，2003)。选择上面描述的特定设置是为了验证先前使用Hank模拟器检查儿童过马路判断的研究(Plumert et al.，in press)。
设计和程序
我们首先通过确定参与者在整洁的走廊中两点之间行走所花费的时间来估算参与者的步行速度。第一位实验者将参与者定位在起跑线上，并指示他们以正常速度走过走廊尽头的终点线。 第二名实验者在参与者开始走路时启动了秒表，并在参与者越过终点线时停止了秒表。完成基线步行任务后，参与者估算了他们步行到真实和虚拟环境中的目标需要多长时间。一半的参与者首先在虚拟环境中进行估计，一半的参与者首先在真实环境中进行估计。首先在真实环境中进行估算的参与者被带到草坪远端的某个地点。第一位实验者告知参与者，第二位实验者将站在他们面前草坪上的不同地方，他们的任务是想象步行到第二位实验者。参与者有机会练习如何启动和停止秒表，以确保他们知道如何操作秒表。在每个实验开始之前，参与者都要转过身来，这样他们就看不到第二个实验者在移入位置。每段距离都是用大型卷尺测量的。当第二位实验者就位时，他或她收回了卷尺。然后参与者转身面对目标，准备好后启动秒表。参与者停下秒表后，实验者记录经过的时间。参与者完成了六个随机排序距离（20、40、60、80、100和120英尺）的步行时间估计。
首先在虚拟环境中进行估算的参与者被带到模拟器设备中，并被安置在描绘室外场景的显示屏中间。实验者告诉参与者，一个人的图像会出现在他们面前草坪上的不同地方，并且他们的任务是想象走路到那个人。然后实验者把一个秒表交给参与者，告诉他们当他们想象开始走路时就应该开始秒表，当他们想象到达那个人的时候就应该停止秒表。参加者有机会练习启动和停止秒表，以确保他们知道如何操作秒表。在每次试验开始之前，参加者转过身以使他们看不到那个人出现在显示屏上。当参与者背对显示屏时，实验者按下了一个按键，使该人出现在草坪上。 然后要求参与者转弯，面对目标并准备就绪后启动秒表。参与者停止秒表后，实验者记录经过的时间。 所有参与者均完成了六个随机排序距离（20、40、60、80、100和120英尺）的步行时间估算。
实际步行时间。 通过将每个实际距离（即20、40、60、80、100和120 ft）除以参与者的步行速度，我们估计了每个参与者实际走6个距离所需的时间。（每个参与者的步行速度由 用基线步行距离除以基线步行时间。）
实际环境中的步行时间估算。每个参与者在实际环境中有6个步行时间估算值，代表了开始和停止秒表之间每个距离所经过的时间。
在虚拟环境中估计行走时间。每个参与者在虚拟环境中也有6次步行时间的估计，代表每一段距离从启动到停止秒表所用的时间。
图1和图2. 真实环境(上)和虚拟环境(下)的照片背景
结果
以下分析着重于两个主要问题。首先，在真实和虚拟环境中，步行时间估算的对应程度如何？ 其次，真实和虚拟环境中的时间估计与实际时间有多紧密？ 为了解决这些问题，分别针对两种环境顺序条件（即，首先是真实环境还是虚拟环境）分析了步行时间估计。
真实环境优先
如图3a所示，跨真实和虚拟环境的步行时间估计几乎相同。此外，在两种环境下，人们往往会低估时间估计，尤其是在较长的距离。单独的单向重复测量ANOVAs比较每个距离的实际、真实环境和虚拟环境时间估计值，发现估计值在所有距离上都有显著影响，F lsquo;s (2,22) gt; 3.98, prsquo; s lt; .05。事后测试表明，真实和虚拟环境中的步行时间估算值仅相差20英尺。实际环境中的时间估算值实际上比虚拟环境中的时间估算值短。 因此，在几乎所有距离的两个环境中，步行时间估计值都非常相似。 额外的事后测试表明，在这两种环境中，人们在60英尺及以上的距离上都明显低于目标时间。唯一的例外是，人们在真实环境中会低于距离80ft，而在虚拟环境中则不会。
虚拟环境优先
如图3b所示，在真实和虚拟环境中，步行的时间估计几乎相同。再一次，人们倾向于在两种情况下都低于实际时间。单独的单向重复测量ANOVAs比较每个距离的实际、真实环境和虚拟环境时间估计值，发现估计值在20英尺以外的所有距离都有显著影响，F s (2,44) gt; 7.11, p s lt; .01。事后测试表明，在任何距离的真实和虚拟环境中，时间估计没有显著差异。但是，人们在两个环境中远低于20 f的距离行走的时间明显低估。
图3a在真实环境优先，可见条件下的估计步行时间 图3b在虚拟环境优先，可见条件下的估计步行时间
总结
有几个结果值得注意。 首先，人们在真实和虚拟环境中的行进时间估算值非常相似。 这一发现与先前在虚拟环境中对距离感知的研究不一致（Loomis＆Knapp，2003； Thompson等，印刷中； Willemsen＆Gooch，2002）。但是，这些实验是使用HMD进行的。 我们的大屏幕环境所提供的更大视野可能是造成结果差异的原因。其次，人们在两种环境下的步行时间估算都非常准确，大约为40至60英尺，尤其是当他们首先在真实环境中进行估算时。 超出此距离，人们低于实际步行所需的时间。最后，当人们首先体验虚拟环境时，两种环境下的步行时间估计都更不准确。这一发现与Whitmer amp; Sadowski(199)的结果一致。
为什么人们会低估超过40-60英尺的步行时间呢?一种可能性是，在评估时观察目标会导致感知距离的视觉透视缩短。换句话说，人们之所以会估算步行时间，
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