空間站艙內定向虛擬訓練方法研究

劉 相，劉玉慶，朱秀慶，安 明

（中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

·基礎研究·

空間站艙內定向虛擬訓練方法研究

劉 相，劉玉慶，朱秀慶，安 明

（中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094）

在失重環境下航天員常常以任意的身體姿態漂浮，依賴視覺線索定向便成為艙內航天員必須掌握的生存技能。針對在地面實物模擬器內難以開展空間定向訓練的問題，提出了一套基于虛擬現實技術的空間定向訓練方法。該方法以虛擬實驗艙和核心艙為訓練場景，提供三維空間記憶與定向策略，幫助航天員學習任意視角下定向的技能。實驗結果表明，在具有不同視覺垂向信息量的艙段內，該方法均能夠明顯提高定向任務績效，所提供的空間記憶策略有助于構建具有層次性的空間知識結構，多姿態定向訓練能夠幫助航天員建立清晰完整的艙內三維結構認知圖。

空間定向；訓練；虛擬現實

1　引言

空間定向是指人們根據周圍環境判斷物體之間方位關系的行為。這種行為往往建立在對所處環境的熟悉和理解上，人們需要記憶關鍵地標的空間布局，并能夠透過不同的視角想象地標間的關系［1-2］。在地面環境下，重力給人類提供了一個可信賴的定向參考，它定義了“上下”的概念，將物體限制在“二維”平面內，降低了定向的難度。然而在載人航天中，重力的缺失打破了地面固有的定向模式，嚴重影響了人類的空間定向能力，常常導致空間定向障礙［3-4］。航天器內的航天員身處復雜的三維環境中，并且以任意的身體姿態漂浮，難以建立自身與地標之間的方位關系，當面向一個不熟悉的視角時，需要復雜的三維心理旋轉才能辨別方向。航天員無法形成對航天器空間結構的準確認知，容易影響工作效率，甚至危及航天員的生命安全。例如，在和平號空間站的對接事故后，空間站內的航天員并不能從視覺上判斷其在整體空間坐標系下的方位，難以對整個空間站重新定位［2］。因此，記憶三維空間結構并依賴視覺線索定向是航天員必須掌握的生存技能。

目前，在地面上最常用的是授課與實物模擬器學習相結合的方式進行空間知識學習與定向訓練，該方法能夠給受訓航天員提供比較真實的訓練場景，但由于重力的限制，航天員只能以單一的身體姿態觀察艙內布局，這與在軌的視覺體驗是完全不相符的?；谔摂M現實技術的飛行前適應性訓練是解決航天員空間定向障礙的一種有效途徑［3］。其目的是幫助航天員在飛行前學習艙內結構，建立空間認知地圖，著重培養航天員的三維空間記憶能力和三維視角變換能力。虛擬現實技術不僅能夠提供逼真的空間站訓練環境，模擬失重環境下的視覺體驗，還能幫助航天員以任意的姿態或視角觀察艙內布局，有效地減輕使用單一身體姿態訓練導致的空間認知欠缺。

2　基于VR的定向訓練方法

虛擬現實技術已經廣泛地應用于地面環境下的定向與導航研究，如地鐵站定向標志設計、大型建筑物火災逃生等。針對失重環境下的三維空間結構記憶與空間定向問題，美國MIT人機實驗室進行了長期深入的研究［5-9］。Oman等［5］研究了虛擬立方體內記憶空間結構、想象三維旋轉和視角變換的方法，受試者記憶6面墻壁上物體的空間方位關系，然后訓練在特定的身體朝向下判斷某個物體的方位。該實驗得到三條重要結論：1）使用沉浸式頭盔顯示器的受試者與使用多個物理顯示器的受試者任務績效近似，甚至更優，一定程度上證明了沉浸式虛擬現實系統在空間記憶與定向訓練的可用性與實用性；2）受試者相對重力方向的身體姿態（正立和仰臥）對任務績效存在較小的影響，說明這個1g環境下實驗結果有可能應用于太空失重環境；3）部分受試者在訓練過程中形成了能夠迅速準確完成任務的定向策略，因此可能存在普遍適用的空間記憶與定向訓練方法。在進一步的研究中，Richards等探究策略性的定向訓練方法在任務績效、訓練遷移與技能維持方面的影響［1］。受試者完成虛擬立方體內的方向辨別訓練，每次訓練只顯示面前和下方的兩個物體，受試者確定自身朝向之后判斷其余物體的方位。提供的訓練策略包括“典型視角”的應用、成對的地標記憶以及角落地標記憶等。其實驗結果表明，策略組比控制組任務績效更好，且在面對全新的環境時有更好的表現。使用該方法形成的空間記憶至少可以維持一個月。Shebilske在之后的研究中發現，在上述訓練過程中如果使用隨機的視角序列進行訓練，受試者的技能遷移與維持會有更明顯的效果［6］。此外，Oman、Benveniste、Buckland研究了在具有不同視覺正向的相鄰艙段內定向問題［7-9］，Buckland提出了一種“相鄰”訓練方法［7］，該方法強調艙段內部與艙段間相鄰墻面的功能關系，使用這種方法的受試者在面向新的視角時有更好的定向績效。

然而，上述研究旨在獲取一個一般性的記憶策略與定向方法，無法直接應用于實際訓練。首先，實驗中所使用的艙內虛擬環境比較簡單，多是使用6個簡單圖像（如動物）代表各墻壁的主要標識，沒有明確的視覺垂向信息，因此在定向過程中視覺信息有限。而在實際航天器內，各個艙段具有不同的設計風格，每一個艙段又要分象限、分區，簡單的地標記憶是不夠的，需要分層次的記憶空間結構。其次，航天器內的航天員可以出現在艙內任意地點，也可以使用任意的身體姿態進行定向，而在上述實驗中虛擬航天員位于立方體中心，且身體軸向與某一面墻平行，并沒有做到真正意義上的任意朝向。結合國外研究結論與航天員空間定向訓練任務要求，本文提出了一套基于虛擬現實技術的空間站艙內定向策略與訓練方法。以虛擬實驗艙和核心艙為訓練場景，提供真實完整的視覺反饋，同時為受訓者提供三維空間記憶與定向策略，幫助航天員學習任意視角下定向的技能。該訓練方法旨在提高受訓者的三維空間記憶能力和視角變換能力，主要特點如下：

首先，這種訓練方法能夠幫助航天員有目的、有層次地學習與記憶艙內空間知識。如圖1所示，將艙段內飾的學習分解為整體布局學習和每個墻面細節知識的學習。將虛擬航天員背對艙門、身體軸向與所在艙段的視覺垂向軸一致時觀察的視角定義為典型視角。受訓者先按照文獻［2］中“典型視角”方法在圖1（a）視角下學習各個墻面的基本特點，如根據視覺線索（如配色方案）辨認天花板，根據設備擺放辨認直立的墻面。然后學習墻面主要標識之間的關系，使用文獻［1］中“成對”的策略，記憶相對的兩個物品，如設備包在艙門對面，筆記本電腦在防毒面具對面。最后學習每個墻面的布局，即空間知識的細節，學習某一物品與所在墻面主要標識之間的位置關系。學習過程中按文獻［7］提出的“功能訓練”方法重點介紹墻面、物品之間的功能關系，讓受訓者了解艙內每一個細節。按照上述訓練流程，建立“艙段—墻面—標識—細節”的分層空間知識結構。

圖1　試驗艙的分層知識結構Fig.1 Hierarchical spatial knowledge of LAB

在具備了初步的空間知識后，受訓者能夠使用具有隨機初始視角的定向訓練序列進一步記憶艙內空間結構，并學習定向技能。虛擬航天員以任意的身體朝向出現在某一艙段的任意地點，受訓者根據視野內的物品判斷所在艙段、艙內位置和自身身體朝向，然后控制視點移行和轉動，尋找目標物體。判斷目標的大體方向時提供兩種定向策略，一是依據“典型視角”的思想確定一個最熟悉的艙壁為基本方向，然后判斷其余艙壁和它的位置關系；二是以一個角落為原點建立空間坐標系，確定相鄰的三面艙壁的方向，然后用“成對”的策略判斷其余三個面的位置。定向訓練的預期效果是受訓者能夠綜合使用兩種策略建立一個清晰完整的艙內三維結構認知圖，在面向新的視角時能夠不再依賴策略，自然迅速地辨別方向。

3　實驗研究

3.1 實驗目的

探究上文提出的三維空間記憶與定向訓練方法的優劣：1）三維空間記憶策略能否幫助航天員更好地學習空間知識；2）以不同的身體姿態進行定向訓練能否幫助航天員更好地掌握定向技能；3）使用該方法的受訓者在低能見度條件下是否有良好的定向績效；4）該方法在具有不同視覺垂向信息量的艙內是否都有良好的訓練效果。

3.2 受試者

招募16名受試者開展虛擬空間站艙內定向訓練方法研究實驗。受試者均為計算機相關專業的研究生，具有一定的虛擬現實體驗經歷。所有受試者進行空間定向能力測試（三維心理旋轉測試和三維視角變換測試），選擇成績接近的12名受試者，隨機分為兩組，每組6人。第一組為實驗組，按照上文提出的訓練方法進行訓練，另一組為對照組。

3.3 實驗環境

之前的研究［10］建立了空間站模型，設計了基于虛擬現實技術的空間站內定向訓練系統，為航天員提供飛行前的適應性訓練。本研究以該虛擬空間站的實驗艙和核心艙為實驗環境開展定向訓練方法研究。

實驗艙和核心艙的內部布局設計參考和平號與國際空間站，模型的紋理來自國際空間站或實物模擬器照片。兩個艙段具有不同的設計風格，所提供的定向輔助信息也存在一定的差異。如圖2所示，核心艙主要作為航天員日常的生活空間，配置了餐飲、健身、休息等區域，具有豐富的地標信息與視覺垂向信息，各區域內物品具有明顯的功能，物品間功能關系明確。實驗艙四壁主要是由具有不同功能的機柜組成的，整體布局具有較為強烈的對稱性，但缺乏有助于定向的關鍵標識。

3.4 實驗流程

虛擬空間站艙內定向訓練方法實驗分為三個階段，依次為實驗培訓階段、定向訓練階段和定向測試階段，如圖3所示。

圖2　核心艙與實驗艙模型Fig.2 Mockup of CORE and LAB module

圖3　實驗流程Fig.3 Procedures of training and testing

1）培訓階段

在開展定向訓練之前，受試者需要進行頭盔顯示器和三維鼠標的使用培訓。本實驗使用的頭盔顯示器（Oculus Rift DK2）能夠給受試者提供完整的空間站艙內立體視景，增強虛擬環境的沉浸感。三維鼠標（SpaceMouse Wireless，3Dconnexion）不僅能夠控制虛擬視點的移動，還能實現偏航、俯仰、滾轉三個自由度上的旋轉控制，模擬航天員以任意的視角觀察艙內布局。要求經過培訓的受試者能夠熟練地控制三維鼠標將虛擬視點旋轉至目標角度。

2）訓練階段

在定向訓練階段，受試者保持上體正直姿態坐在椅子上，佩戴頭盔顯示器觀察虛擬空間站艙內布局，使用三維鼠標控制虛擬視點的運動。

實驗組和控制組受試者均通過艙內物品功能學習、自由體驗和策略性訓練的流程，記憶艙內物品布局、形成定向策略。在物品功能學習階段，兩組受試者均是在典型視角下了解實驗艙和核心艙的基本布局，為實驗組和控制組受試者提供詳細的物品介紹和功能關系學習時間，實驗組被提供“成對地標記憶”、“角落地標記憶”等空間記憶策略，而控制組并沒有策略。在完成5 min自由體驗之后進入策略性訓練階段，兩組受試者需通過尋找艙內特定物品來進一步學習艙內布局并形成定向策略，在每個艙有16次訓練任務，每次任務開始時虛擬航天員出現在艙內任意地點，發送語音指令明確需要尋找的物品，受試者控制三維鼠標旋轉視點，使目標物體處于視野中心。實驗組的受試者在訓練過程中是以任意的身體姿態進行學習，沒有旋轉方向上的限制。而控制組的訓練方式與當前地面實物模擬器內的訓練近似，受試者以直立的身體姿態觀察空間站內部結構，鎖定了滾轉方向的轉動并限制了俯仰方向的轉動角度，訓練過程中均是以單一的典型身體姿態進行學習。

3）測試階段

定向測試共有24次測試任務。前12次為基本定向測試，任務的順序是隨機的，6次在核心艙、6次在實驗艙；后12次為低能見度條件下的訓練效果遷移測試，與前12次任務的初始條件一致，加入煙霧效果，任務順序同樣是隨機的。每次任務開始時，虛擬航天員以任意的身體朝向出現在某一個艙內的任意地點，受試者首先需要迅速判斷自己的方位，然后想象目標的方位，以盡量較短的時間和盡量較小的旋轉角度找到目標物品。記錄的數據包括判斷自身位置時間、定向的時間、旋轉的多余角度。定向時間反映了受試者在定向過程中不斷更新空間信息辨認方向的能力；旋轉角度反應了受試者定向過程中辨別方向的準確性，但由于使用三維鼠標控制虛擬視角與人體實際轉身存在一定差異，且受試者的定向策略存在差異，在進行數據分析時將旋轉角度作為輔助指標，定向時間作為主要績效指標。

在完成全部測試后，受訓者填寫調查問卷。問卷分為兩部分，一部分考察三維空間結構記憶情況，主要為地標位置及地標之間的方位關系判斷，如“防毒面具是在核心艙的哪個區、哪個象限”、“依據局部視覺正向，II象限的筆記本電腦是在儀表板的哪個方向”等。另一部分調查受試者完成任務時空間定向策略的使用情況，了解其定向所需的輔助標識與策略。

4　實驗結果與討論

本實驗測試指標為任務完成時間和旋轉角度。實驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，無論是在具有明顯視覺垂向信息的核心艙，還是在具有一定對稱混淆性的實驗艙，實驗組的受試者均能夠更快地完成定向任務，轉向的角度偏差也更小。受試者在核心艙中的定向時間比實驗艙短，但轉向誤差基本一致。引入煙霧后受試者的任務績效有一定下降。這個結果基本符合實驗預期：經過空間定向訓練的受訓者對所處艙段環境建立了一定的空間認知，并形成了定向策略。但定向過程中依賴視覺線索，艙內視覺垂向信息量、能見度等都會影響航天員的定向行為，豐富的視覺線索有助于迅速定向。

進一步對任務完成時間與轉角偏差進行方差分析，得到如下結論：1）相比控制組，使用本文提出的空間記憶與定向方法進行訓練的受訓者取得了更好的任務績效，平均定向時間快4.3 s，轉角偏差差距不大［任務完成時間：F（1，44）= 9.512，p=0.004，旋轉角度：F（1，44）=1.432，p =0.238］；2）測試艙段對任務完成時間存在顯著性影響［F（1，44）=8.033，p=0.007］，但對轉角偏差影響并不顯著［F（1，44）=1.351，p= 0.251］，這說明艙段內的輔助定向信息能夠有效的幫助航天員定向；3）訓練方法與測試艙段在兩個指標上均沒有交互效應［任務完成時間：F（1，44）=0.004，p=0.947，旋轉角度：F（1，44）= 0.057，p=0.813］，這說明在具有不同視覺垂向信息量的艙段內，本文提出的訓練方法均優于控制組的訓練效果，該方法具有一定的普遍適用性。

在問卷調查的空間知識測試中，實驗組的受試者記憶位置準確，犯的錯誤更少。全部6名受試者均能夠準確判斷地標之間的位置關系，4名表示已經形成了具有層次性的空間知識結構，而對照組只有1名受試者達到要求。在定向策略方面，對照組的受試者傾向于使用“成對”和“典型視角”的定向策略；實驗組中4名受試者習慣使用以“典型視角”為基礎的策略，另外2名表示已經建立了完整的三維空間認知地圖，明確物品間的位置關系，在后期的定向測試中并不需要任何的定向策略。這個結果首先說明本文提出的訓練方法的確有助于航天員在不同視角下建立空間認知，也證明了測試結果中受試者在旋轉角度上不存在顯著差異的原因：盡管在辨別初始方向的反應時間上存在差異，大多數受試者傾向于使用典型視角進行定向，即首先旋轉至自身最熟悉的角度再辨認方向。受試者的這一行為再次證明了艙內地標與視覺垂向對航天員定向的重要輔助作用。

圖4　實驗結果Fig.4 Experimental results

綜上所述，可以推斷出本文訓練方法的優劣，該方法能夠顯著地縮短航天員定向的時間，提出的三維空間記憶策略能夠幫助航天員建立清晰完整的空間認知圖，以不同的身體姿態進行定向訓練能夠幫助航天員更好地掌握定向技能。

5　結語

本文以失重環境下的空間定向障礙為出發點，針對地面實物模擬器訓練的局限性，提出了一套有助于航天員學習三維空間知識和定向技能的虛擬定向訓練方法。通過實驗研究，為在地面上解決航天員空間失定向問題提出兩種可行的途徑：1）基于設計角度，在艙內布局上加入明顯的地標和視覺垂向信息設計，幫助航天員明確方向；2）基于訓練角度，在飛行前幫助航天員學習三維空間知識，并給予航天員多種身體姿態下的視覺反饋，模擬飛行視覺體驗。

（References）

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Study on Virtual Reality Based Training Methods for Spatial Orientation in Spacecraft

LIU Xiang，LIU Yuqing，ZHU Xiuqing，AN Ming
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

During manned spaceflight，the astronauts floating inside a spacecraft must master the skill of orienting themselves in a random body orientation according to the visual cues.However，conducting spatial orientation training in mockups on the ground is difficult to realize，a VR based training method was proposed.A virtual scene of the LAB module and CORE module ere established and the training strategies for spatial orientation were set up.Experimental results show that the trainees’performance in orientation and spatial memory tasks is significantly improved in both modules with different number of visual cues.The training method can help to establish hierarchical spatial knowledge and cognitive structures of the training modules.

spatial orientation；training；virtual reality

TP391.9

A

1674-5825（2016）05-0645-06

2016-03-07；

2016-09-02

國防基礎科研計劃（B1720132001）

劉相（1991-），男，碩士研究生，研究方向為航天飛行訓練仿真。E-mail：lx9177xiang@163.com