虚拟现实（VR）实验的实施可能较为困难，且需要细致的规划。本方案描述了一种用于设计和实施虚拟现实实验的方法，该实验可采集人类受试者的生理数据。本方法采用虚拟环境实验（Experiments in Virtual Environments, EVE）框架以加速该过程。
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摘要
摘要
由于虚拟现实（VR）实验相较于真实世界观察和实验室实验分别具有更高的内部效度和外部效度，其应用日益广泛。VR 特别适用于地理可视化以及空间行为的研究。在空间行为研究中，VR 提供了一个研究导航行为与生理指标（例如，皮肤电导、心率、血压）之间关系的平台。具体而言，生理指标使研究人员能够探讨新的科学问题，并对以往关于空间能力、策略和表现的理论加以限制和验证。例如，个体在导航表现上的差异，可能通过唤醒水平在多大程度上中介了任务难度的影响来解释。然而，VR 实验在设计与实施上的复杂性可能使实验人员偏离其主要研究目标，并在数据采集与分析过程中引入不一致性。为应对这些挑战，虚拟环境实验（Experiments in Virtual Environments, EVE）框架包含了若干标准化模块，例如参与者对控制界面的操作培训、使用问卷进行数据采集、生理测量的同步以及数据存储。EVE 还为数据管理、可视化和评估提供了必要的基础设施。本文介绍了一种利用 EVE 框架在 VR 环境中结合生理传感器开展导航实验的实验方案。该方案列出了招募参与者、佩戴生理传感器、使用 EVE 系统实施实验以及利用 EVE 评估工具分析所采集数据所需的各项步骤。总体而言，该方案将通过简化结合生理传感器的 VR 实验的设计与实施流程，促进未来相关研究的开展。
引言
理解个体如何进行导航对多个领域具有重要意义，包括认知科学1,2,3、神经科学4,5以及计算机科学6,7。导航行为已在真实环境和虚拟环境中均得到研究。真实世界实验的一个优势在于，导航无需通过控制界面进行中介，因此可能产生更真实的空 间行为。相比之下，虚拟现实（VR）实验能够更精确地测量行为数据（例如，行走轨迹）和生理数据（例如，心率），并提供更高的实验控制性（即，内部效度）。这种方法有助于对数据进行更简明的解释，从而建立更可靠的导航理论。此外，神经科学研究也可从虚拟现实中受益，因为研究人员可以在参与者沉浸于虚拟环境但无法实际移动的情况下，探究导航相关的神经机制。对计算机科学家而言，实现虚拟现实中的导航需要在处理能力、内存和计算机图形方面进行独特的技术发展，以确保沉浸式体验。来自虚拟现实实验的研究成果还可应用于建筑学和制图学，通过优化建筑布局设计8和地图特征9来促进现实世....
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方案
以下实验方案是根据苏黎世联邦理工学院伦理委员会批准的提案 EK 2013-N-73 中的相关指南进行的。
1. 招募并准备参与者
- 选择具有特定人口统计学特征的参与者（例如年龄、性别、教育背景）使用参与者招募系统或邮件列表（例如，UAST；http://www.uast.uzh.ch/）
- 通过电子邮件联系选定的参与者。在邮件中提醒参与者实验的时间和相关要求，告知他们必须穿着宽松的上衣（便于血压监测），实验前12小时内禁止饮酒，并避免进行其他若干活动（即，实验前3小时内避免摄入咖啡因、吸烟、进食和运动。
2. 使用 EVE 准备实验和生理设备
- 每次实验开始前，启动计算机、实验者显示器和测试显示器。
- 确保房间风扇、温度计和湿度监测仪已开启。
- 打开测量皮肤电活动（EDA）和心电图（ECG；e.g., ADInstruments 的 PowerLab）。参见材料表。
- 启动 EDA/ECG 软件（EVE 目前支持 ADInstruments 的 Labchart），并创建一个新的设置文件。选择 1,000 Hz 的采样率以及适当的通道数量（e.g., EDA 一个通道，E....
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结果
在NeuroLab中，我们通常从每位参与者收集生理数据（例如，心电图[ECG]）、问卷数据（例如，圣巴巴拉方向感量表[SBSOD]31）以及导航数据（例如，在虚拟环境中的行进路径）。例如，心率变化（源自心电图数据）已与其他生理指标32和自我报告测量结果33结合，被用于反映应激状态的变化。我们的系统支持呈现多种类型的问卷，例如短期应激状态问卷34和SBSOD31。SBSOD是一种用于评估空间能力的自我报告测量工具，常与真实及虚拟大尺度环境中的导航行为相关联35。此外，导航数据还可用于推断参与者在不同应激情境下的空间决策行为（例如，犹豫情况、导航效率）36。
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讨论
本文介绍了一种利用EVE框架在虚拟现实（VR）环境中结合生理设备开展实验的方案。此类实验具有独特性，原因在于需要额外考虑硬件因素（例如，生理设备及其他外设）、使用VR采集生理数据前的准备步骤，以及数据管理需求。本方案为研究者同时采集多个外设数据提供了必要的操作步骤。例如，使用生理设备时，需对电极进行清洁，并将其固定在受试者身体的特定位置（例如，胸部和手指），同时确保不影响其他外设（例如，操纵杆）的正常使用。这些操作步骤的时间安排必须考虑生理信号可能发生的漂移，以及数据保持可靠的合适时间窗口。在每次实验会话的准备阶段，实验者对时间的把控同样至关重要。例如，受试者需完成一个基线阶段（例如，观看自然视频），以便实验者校正个体间生理反应性的差异；还需完成控制界面的训练阶段，以便实验者将受试者的操作能力与其在VR中的空间决策能力区分开来16,17。此外，随着数据源数量的增加，数据的同步与存储复杂性也随之上升。本文所述的EVE框架为在VR中处理多个数据源的研究提.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
虚拟环境由 VIS Games（http://www.vis-games.de）提供，用于开展虚拟现实研究。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Alienware Area 51 主机 | Dell | 210-ADHC | 计算设备 |
| 138 厘米 4K 超高清 LED 电视 | Samsung | UE55JU6470U | 显示设备 |
| SureSigns VS2+ 生命体征监护仪 | Philips Healthcare | 863278 | 血压 |
| PowerLab 8/35 数据采集系统 | AD Instruments | PL3508 | 皮肤电导 |
| PowerLab 26T (LTS) 数据采集系统 | AD Instruments | ML4856 | 心率 |
| Extreme 3D Pro 操纵杆 | Logitech | 963290-0403 | 人机接口设备 |
参考文献
- Gallistel, C. R. The Organization of Learning. , MIT Press. Cambridge, MA. (1990).
- Waller, D., Nadel, L. Handbook of Spatial Cognition. , American Psychological Association. Washington D.C. (2013).
- Denis, M.
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