空间认知研究及其在航空航天领域中的应用

空间认知研究及其在航空航天领域中的应用

田志强

人类对周围环境的认知是通过感觉器官接收刺激,经由中枢神经系统将大量的信息综合、分类、加工,从而形成各种知觉、思维、意识和情感。地面上,依靠地平线和参照物体的高度、明暗度、遮挡等就可以来判断要识别物体的大小、相对位置及运动情况。飞行中,各种仪表和舷窗外视景帮助飞行员判断飞机的位置。在地貌与天空的颜色及亮度差别很大时,即使出现应激,飞行员易作出反应;当在大海与天空间昼飞或夜航时,舷窗外参考线索太少,若倒飞时间过长,飞行员会忘记自身状态,产生飞行错觉,即使仪表显示高度的变化,他仍然坚信自己的感觉,直至飞机贴近海面。沿轨道飞行的航天器,舱外是漆黑的太空,外界可依赖的视觉信息更少,舱内航天员依靠仪表指示来判断飞船的姿态,执行出舱活动时,空间认知能力就显得格外重要了。Bolstad等人(1987)的技术报告中谈到了/认知地图0在飞船人P机通信中的重要性: /从飞船结构上,在所有的通道和工作部位设计和布置一些明显的特征和标志,这样航天员在其间穿行时,很快就能形成一个心理地图并明白身处何处0[1]。许多航天员在太空作业时,普遍存在着空间定向障碍和信息缺乏的感觉,这种症状在返回地面后不久就自行消失。所以对飞行员和航天员进行空间认知能力的选拔与训练是很有必要的。

空间认知是指人们对物理空间或心理空间三维物体的大小、形状、方位和距离的信息加工过程。如今认知工效学界对空间认知的研究以视觉通道为主,分为:心理空间视觉和物理空间

田志强.航天医学工程研究所,北京100094

本文于1998-02-12收到,1998-05-04修回视觉[2,6,9,17,18]。心理空间视觉是指心理表象、心理扫描和心理旋转等信息加工过程。这方面的研究国外在70年代初就已经开始,经过几十年的发展,在继续分析其基本特征和生理机制的同时,也注重了向实际应用接轨;物理空间视觉方面继续研究影响三维物体认知的客观因素和深度视觉的神经生理学基础,并且研究的工具越来越先进,分析方法越来越精致,研究成果业已运用到了工业设计当中。

一般认为,空间认知能力包括准确知觉外界的能力、对知觉到的客体进行改造和修正的能力以及重建视觉经验的能力。具体体现为视空间定向、空间旋转、空间关系和视觉形状重构等诸要素,其核心是视觉空间表象能力[2]。人的空间认知能力是有个体差异的,在一定程度上可以通过适当地训练提高。并且视觉空间能力是从事飞行职业所必备的,与飞行能力紧密相关。

本文综述了国外空间认知的早期研究;分析空间认知的生理机制和影响因素;及其在航空、航天中的应用;并分析了国内航空、航天领域空间认知研究有待开展的几个方面的工作。

空间认知的早期研究

在空间认知的早期研究中包括了许多心理学的基础性研究。

认知地图(cognitive map)实验认知地图是指在知觉经验基础上形成的关于空间环境的表象,这个概念是Tolman根据白鼠迷津实验的结果提出来的。Tolman认为动物的迷津学习不是通过练习和强化而习得一系列反应,而是认知迷津终点即目的地的位置和空间线索,

第11卷第6期航天医学与医学工程Vol.11N o.6 1998年12月Space M edicine&M edical Engineer ing Dec.1998

这种空间关系的表象犹如地图可引导动物完成空间作业[3]。国外在飞船舱内布局设计中已将此概念用于航天员的环境学习活动。

心理旋转(mental rotation)实验这是Shepard与其同事在70年代初开展的研究。这项研究的方法与其取得的结果对后来的表象研究产生了巨大的影响。实验用速视器给被试者成对地呈现三维立体图形,两个图形间的关系有三种:平面对,立体对和镜面对。实验记录被试者完成两个图形异同判断的反应时。Shep-ard指出,被试对两个图形做比较时,是在头脑中将一个图形转动到另一个图形的方位上来,然后依据转动后的匹配情况做出判断。Shep-ard的实验确认了人存在心理旋转的事实,且第一次实验证明了它具有渐进性和空间性的特点[4]。

心理扫描(mental scanning)实验心理扫描是Kosslyn及其同事在70年代初对表象的一系列实验研究。他们认为视觉表象中的客体同样也有大小、方位和位置等空间特性,也是可以被扫描的。从这个观点出发,他们在实验里要求被试构成一个视觉表象并加以审视,如同利用内部的眼睛来扫描,以确定其中客体或其空间特性。实验结果表明,被表象的物体的距离、大小及复杂性与反应时之间有着系统的关系[4]。

身体姿态实验十九世纪末Anbert发现,身体姿势不仅对垂直、水平判断有影响,而且对距离和大小的判断也有影响[5]。Witkin和Asch(1948)对垂直与水平判断作了较系统地研究。他们的实验要求被试在一可倾斜的座椅上,调节一可左右倾斜的小屋内的直棒成水平或垂直状态。结果:当身体姿势正常而小屋倾斜时,被试调节的直棒方位偏向小屋的倾斜方向。这说明垂直和水平的判断主要以视野为依据[6]。荆其诚等(1963)研究了不同观察姿势对大小知觉恒常性的影响。与正常姿势相比,俯视和仰视时对象的知觉大小缩小比例可达1: 0.73;倒仰观察时,知觉大小缩小的更多,最大可达1:0.53.实验中所有的被试都体验到距离变远了[7]。彭瑞祥和林仲祥(1965)研究了观察者与目标物倾斜时的深度辨别。被试坐在可以旋转360b转椅上,观察Howard-Dolman深度辨别仪。当观察者与仪器沿顺(或逆)时针方向相应倾斜时,深度辨别误差与观察者身体倾斜角度呈峰形曲线[8]。

空间认知的生理机制

生理心理学界对于空间认知的生理机制进行了多层次的深入研究。由于人的视网膜是平面的,在平面视网膜的基础上产生深度知觉,必须依靠人体自身和环境提供的各种深度线索。这些线索包括:眼肌调节的线索;凭过去经验形成的单眼线索,如遮光、空气透视、结构级差和运动视差等;以及双眼视差(visual disparity)。

自然环境里观察一个物体时,由于两眼之间相距约65m m,所以两眼是从不同角度获取信息的,在左眼和右眼视网膜上,分别感受着不完全相同的刺激,形成双眼视差,这样两眼不相应部位的视觉刺激以神经冲动的形式传到大脑皮层,以尚不清楚的方式整合起来,产生一个单一的具有深度感的视觉象,便产生立体知觉。人对空间对象的立体感觉主要来自双眼视差的横向视察(querdisparation)[5]。

1970年以前,对于中枢系统在深度视觉产生机制中起何作用还是一个黑匣子问题。Blakemore和M itchell(1970)的实验发现,两眼不同侧的视网膜刺激必须有大脑两半球的共同活动才能引起双眼融合和深度知觉。两眼鼻侧视网膜的神经纤维在视交叉处交叉后进入异侧两半球皮层;而两眼视网膜颞侧的神经纤维并不交叉,它们各自进入同侧半球的大脑皮层。因此,脑割裂病人对正前方的对象既不能产生双眼融合,也不能有深度视觉。他们只对视野中一侧的刺激有深度知觉[9]。另外,Bishop和Barlow等人(1973)用微电极测量双眼皮层细胞感受野,对深度知觉的机制也有了初步的了解。他们发现,当刺激两眼视网膜相应点时,一些神经元出现双眼总合(bincular summation)放

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第6期田志强等.空间认知研究的历史及其在航空航天领域中的现状