基于高空VR 交互場景的恐懼情緒誘發(fā)系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

叢 林 ，楊菁華 ，孫繼成 ，程 珊 ，張?zhí)x ，胡文東

（1.空軍軍醫(yī)大學 航空航天醫(yī)學系，陜西 西安 710032；2.空軍工程大學 基礎部，陜西 西安 710051）

0 引言

高度是一種普遍的應激源，它曾入選《科學美國人》雜志評出的人類最害怕的十大事物。流行病學研究表明大約三分之一的人或多或少具有高度不耐受，具有一定的普遍性，大對數(shù)人面對高處情景都會產生恐懼情緒，區(qū)別在于表現(xiàn)出的恐高反應程度不同[1-3]。傳統(tǒng)的情緒誘發(fā)方法通過爬梯、登高等實體暴露來誘發(fā)高度恐懼[4-5]，因其場地條件、安全保障、流程控制等因素受限已不適合現(xiàn)有研究，而虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術通過構造的虛擬環(huán)境來觸發(fā)人生理和心理的反應，能模擬高危高壓情境，同時極大程度上保障了人員安全，可實現(xiàn)逐級升高、條件可控、可重復操作[6-8]。因此，設計一種基于高空VR 交互場景的恐懼情緒誘發(fā)系統(tǒng)對于研究個體情緒誘發(fā)差異性、恐高反應傾向以及恐懼情緒對工作績效的影響具有重要的意義。

1 總體設計

系統(tǒng)由HTC VIVE 頭盔、VR 交互手柄、背負式電腦、顯示器、HTC VIVE 追蹤器（VR 追蹤器）、便攜式生理信號采集儀以及定制的鋁合金踏板組成，總體結構如圖1所示。背負式電腦用來運行程序，生成虛擬現(xiàn)實畫面，通過VR 技術模擬城市的建筑以及川流不息的車輛營造出較真實的高空樓宇氛圍。VR 追蹤器可標定鋁合金踏板的外形、體積及晃動幅度，將真實的踏板帶入到虛擬世界中，被試人員佩戴VR 頭盔后可在伸出房頂邊緣的虛擬踏板上行走，通過頭部移動可以看到腳下的房頂以及路面川流不息的“小汽車”，視角的變化給予了更強的代入感。在踏板上行走期間被試需使用VR 交互手柄完成相應的“九燈剩余能力任務”進行工作績效評估，同時將便攜式生理信號采集儀放置于人員腰部的挎包，實時采集其心電、呼吸、皮溫、血氧、血壓等生理數(shù)據(jù)，從而分析整個過程被試自主神經系統(tǒng)特異性變化規(guī)律。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 VR 交互踏板設計

為實現(xiàn)在高空刺激場景下VR 的體感交互，設計了一個長4.8 m、寬0.5 m 的碳素結構鋼踏板，如圖2 所示。踏板及底座采用分體式模塊化設計，能夠靈活快捷地部署于大多數(shù)室內外環(huán)境。底部安裝有雙筒式彈簧單元減震器，可賦予橋面上下晃動的自由度。由于雙筒式彈簧單元兩側彈簧可以獨立工作，因此同時賦予了橋面一定范圍的側向自由度，使得人體行走踩踏后產生多角度的應力晃動。為了增強恐懼情緒誘發(fā)效果及測驗區(qū)分度，設計了3 組不同的雙筒式彈簧安裝座來提升系統(tǒng)冗余度，通過改變雙筒式彈簧單元的安裝位置，可在較短時間內實現(xiàn)調整踏板彈跳剛度、彈跳幅度的目標，構成不同的難度級別。為配合虛擬現(xiàn)實（VR）設備部署，踏板前端設計了專門的虛擬現(xiàn)實追蹤器安裝槽，用于實現(xiàn)虛擬踏板與實際踏板體感同步結合的沉浸式體驗效果。同時，設備具有穩(wěn)定和晃動兩種模式，通過支撐架，可以快速實現(xiàn)約束橋板晃動自由度的目的，使柔性橋面變換為剛性橋面。為保證人員安全，對踏板四周棱角進行了柔性包裹，同時地面還配有安全防護軟墊。

圖2 碳素結構鋼踏板

3 軟件設計

系統(tǒng)采用了Unity Technologies 公司開發(fā)的三維游戲制作引擎Unity 3D，其憑借跨平臺特性以及成熟的3D交互式內容開發(fā)環(huán)境已成為AR/VR 開發(fā)領域最值得關注的平臺之一[9-10]。軟件按照功能模塊劃分可分為交互顯示模塊、踏板匹配模塊、虛擬場景模塊和實驗管理模塊四部分。

（1）交互顯示模塊：選用HTC VIVE 虛擬現(xiàn)實頭盔作為PC 版本虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，其中配套的LightHouse 作為位置跟蹤設備，配套的HTC VIVE Pro 手柄作為交互手柄跟蹤設備[11]。

（2）踏板匹配模塊：在虛擬實驗體驗環(huán)境中設置一個實物踏板，使用HTC Tracker VR 追蹤器[12]，實現(xiàn)虛擬踏板和真實踏板的視覺一致性，給被試帶來更加沉浸逼真的體驗。

（3）虛擬場景模塊：用于支持進行心理實驗過程中的各項實驗內容場景，主要包括城市樓宇、虛擬踏板、刺激元素、九燈能力測驗等。

（4）實驗管理平臺：用于支持人員管理，場景管理，生理數(shù)據(jù)同步采集、顯示，實驗數(shù)據(jù)記錄功能。

系統(tǒng)提供全面的人機交互接口，支持在Unity 3D 中的多種軟件開發(fā)接口，包括交互手柄、追蹤器等虛擬現(xiàn)實輸入設備、生理信號采集設備等產生的數(shù)據(jù)實時接入到軟件平臺中的各項軟件接口，用戶可以實時地與虛擬場景產生交互，如圖3 所示。

圖3 接口支持

軟件系統(tǒng)采用了C/S 架構，包括主控端和客戶端，主控端實現(xiàn)用戶管理、控制生理數(shù)據(jù)采集和顯示、虛擬場景控制、實驗數(shù)據(jù)存儲等功能。背負式電腦作為客戶端，實現(xiàn)控制虛擬現(xiàn)實頭盔追蹤、場景顯示以及追蹤器定位等功能，如圖4 所示。

圖4 軟件架構

3.1 主控端

主控端主要負責對整個實驗過程的控制，其主控程序包含4 個操作界面：基本信息、實驗場景、生理監(jiān)控、啟動實驗，界面如圖5 所示?；拘畔⒔缑嬷饕涗泴嶒灥幕拘畔⒑捅辉嚨膫€人信息，在該界面中，主試可以輸入實驗名稱、實驗操作者以及被試的個人信息，其中被試人員信息欄主要記錄被試的姓名、年齡、性別、編號等數(shù)據(jù)。實驗場景配置界面可對客戶端將要看到的場景進行簡單編輯，其中可以設定出生點類型、跳板和獨木橋材質、實驗高度、刺激元素、剩余能力以及實驗時間。生理監(jiān)控配置界面可對實驗時對被試者采集的生理信息進行設定，可根據(jù)需求選擇需記錄的生理指標。

圖5 主控端軟件界面

3.2 客戶端

客戶端主要功能是對虛擬場景進行渲染，輸出VR頭盔畫面，同時與主控端建立通信，實現(xiàn)VR 手柄及VR踏板的追蹤器的交互，界面如圖6 所示。系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)儲存亦由客戶端進行控制，主要包括VR 頭盔輸出的人員位置和時間信息，以及通過普瑞JHY-40 多參數(shù)監(jiān)控儀采集的生理信號數(shù)據(jù)指標（心電、無創(chuàng)血壓、血氧飽和度、呼吸率、體溫）。各項數(shù)據(jù)將自動記錄到實驗平臺專用的Excel 或者數(shù)據(jù)庫中，以方便日后的分析查詢。在實驗過程中，還可以將生理信號數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸至主控端，實現(xiàn)生理信號的實時監(jiān)測。

圖6 客戶端軟件界面

4 關鍵技術

4.1 踏板模型匹配

踏板的模型匹配主要是通過HTC VIVE 的Lighthouse室內紅外激光定位技術，基本原理就是利用配套定位光塔，對定位空間發(fā)射橫豎兩個方向掃射的激光，再通過VR 追蹤器上的接收器接收光束，之后計算兩束光線到達定位物體的角度差，解算出待測定位節(jié)點的坐標[13]。獲取到追蹤器的位置后，將位置綁定到踏板的活動端，當追蹤器位置發(fā)生上下位移時，會帶動虛擬踏板的活動端上下移動，虛擬場景中的跳板添加了彈性控制腳本，隨著活動端的移動，踏板會產生上下及左右晃動形變，模擬真實踏板的晃動效果。

4.2 九燈剩余能力任務

由于恐懼情緒會對個體認知產生影響，消耗個體注意資源，任務績效一定程度上可作為情緒誘發(fā)效果和個體應對能力的參考，本系統(tǒng)設計了九燈剩余能力任務來評價任務績效，如圖7 所示。剩余能力是指在完成核心任務（3 min 內在踏板上來回行走）的同時還能完成其他附加任務的能力[14-15]。具體實現(xiàn)方式為在VR 視覺界面正上方呈現(xiàn)“一”字排列的9 個位置點，代表9 個指示燈，顏色為紅、黃、綠3種，九燈界面與被試的相對距離為1 m，每5 s 隨機點亮其中一個指示燈，每種顏色的指示燈對應VR 操作手柄上相應的按鍵，要求被試又快又準地按相應鍵進行反應，若按鍵正確，指示燈熄滅，若3 s 內未按鍵或者錯誤按鍵，指示燈自動熄滅，自動記錄被試按鍵情況及按鍵反應時間。

圖7 九燈能力測驗

5 結論

本文著重論述了基于高空VR 交互場景的恐懼情緒誘發(fā)系統(tǒng)構成、功能和關鍵技術，提出了一種在高空刺激場景下VR 體感交互的方法。通過招募20 名在校大學生進行實驗測試，問卷調查結果表明該系統(tǒng)能夠有效誘發(fā)恐懼情緒，具有較好的應用前景，可為高空作業(yè)相關崗位人員的情緒控制能力選拔及訓練提供方法基礎和研究平臺。