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腦電波解碼景觀舒適度:VR實(shí)驗(yàn)揭示自由與規(guī)則形態(tài)景觀的神經(jīng)響應(yīng)差異_abio生物試劑品牌網(wǎng)

abiopp7個(gè)月前 (05-16)技術(shù)41
一、背景介紹 城市公園景觀通過(guò)提供休閑空間顯著影響居民身心健康,但其舒適度評(píng)估長(zhǎng)期依賴(lài)主觀問(wèn)卷與基礎(chǔ)生理指標(biāo),缺乏量化數(shù)據(jù)支持,且現(xiàn)有研究多基于靜態(tài)圖片或單一感官刺激,對(duì)景觀布局特征(如節(jié)奏感、封閉性)的認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制探索不足。景觀形態(tài)研究以及運(yùn)用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行該研究十分必要,對(duì)城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)及人類(lèi)福祉意義重大。景觀形態(tài)影響人們的舒適度和體驗(yàn),而認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)能從生理層面揭示其中機(jī)制,為景觀設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
  二、論文摘要
來(lái)自河北工程大學(xué)建筑與情感國(guó)際研究中心、中國(guó)建筑科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)利用EEG 和VR技術(shù)探索了景觀形態(tài)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)機(jī)制,并將相關(guān)研究成果發(fā)表在MDPI旗下的Applied Sciences期刊,題為“Electroencephalography (EEG)-Based Comfort Evaluation of Free-Form and Regular-Form Landscapes in Virtual Reality”,報(bào)告了自由形態(tài)景觀和規(guī)則形態(tài)景觀通過(guò)激活不同腦區(qū)的α波注1引發(fā)舒適感,揭示了大腦對(duì)不同景觀的反應(yīng)機(jī)制,尤其是景觀自然度、節(jié)奏性等特征與特定腦區(qū)α波值呈線性關(guān)聯(lián),為量化評(píng)估景觀舒適度提供了神經(jīng)科學(xué)依據(jù)。
 
注1α波(Alpha Wave)是人類(lèi)腦電波的一種,頻率范圍在 8 - 13Hz 之間。當(dāng)人體處于放松、平靜且無(wú)力的清醒狀態(tài)時(shí),α 波通常較為活躍。在本文的研究中,α 波被用作衡量人體是否處于舒適、平靜狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。
 
  圖1 文章信息
三、研究設(shè)計(jì)與結(jié)果呈現(xiàn)
(一)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——研究團(tuán)隊(duì)采用雙模態(tài)數(shù)據(jù)采集方案
1.虛擬場(chǎng)景構(gòu)建
研究者使用SketchUp Pro 2023建模,結(jié)合MARS渲染軟件生成14,500?O虛擬景觀,其中自由形態(tài)景觀(D1,見(jiàn)表1)以“無(wú)軸線+曲線步道+自然植被”為特征,植被高度3-5米、葉色偏深(RGB 100-150);規(guī)則形態(tài)景觀(D2,見(jiàn)表2)設(shè)東西向主軸線,幾何化空間通過(guò)直線步道連接,植被修剪為球形/柱形,葉色明亮(RGB 180-220)。

2.視頻參數(shù)
360°全景、2K分辨率(2048×1080)、60幀/秒,模擬成年男性(178cm)正常步行速度(1.39m/s vs. 1.37m/s)的視角,以確保場(chǎng)景沉浸感。

3.主觀問(wèn)卷
采用15項(xiàng)李克特量表(-5到5分),聚焦物理感知(空間封閉度、色彩豐富度)與心理感知(安全感、依賴(lài)感),其中以與身體感覺(jué)相關(guān)的問(wèn)題,如“節(jié)奏感知”“秩序感”“自然度”為核心對(duì)比指標(biāo)。

4.數(shù)據(jù)采集
共30名健康大學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖2 左圖),佩戴64通道電極帽,但是選取覆蓋枕葉(O1/O2/Oz)、顳葉(T7/T8)、頂葉(P3/P4)等區(qū)域的32個(gè)電極數(shù)據(jù)進(jìn)一步做分析(見(jiàn)圖2 右圖)。被試被要求先觀看自由形態(tài)景觀后觀看規(guī)則形態(tài)景觀,間隔5分鐘休息以避免疲勞效應(yīng),實(shí)驗(yàn)全程在25℃、無(wú)噪音的封閉實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集流程見(jiàn)圖3。

研究者主要分析了腦電信號(hào)的α 波,并比較了每個(gè)被試在觀看兩種景觀時(shí)的α 波幅值大小。
 
  圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和腦電極分布     圖3 數(shù)據(jù)采集流程
(二)核心結(jié)果解讀
1.生理舒適度的腦區(qū)特異性激活
(1)自由形態(tài)景觀(D1)
圖4展現(xiàn)了相比于規(guī)則形態(tài)景觀,左顳葉(FC5/T7/C3)與右頂葉(P4/P8)等11個(gè)電極表現(xiàn)出顯著更高的α波幅值(p<0.05),集中于。結(jié)果表明,自由式景觀中更自然的植物配置、曲折的路徑、隱蔽的空間等特征可以增加左顳葉和右頂葉的 α 波值。左顳葉負(fù)責(zé)情緒調(diào)節(jié)與視覺(jué)記憶處理,其激活提示自然景觀通過(guò)“非規(guī)則路徑+植被隨機(jī)性”促進(jìn)放松;右頂葉主導(dǎo)空間定位,反映自由形態(tài)景觀的“探索性”對(duì)空間感知腦區(qū)的正向刺激。

(2)規(guī)則形態(tài)景觀(D2)
同樣在圖4中,相比于自由形態(tài)景觀,7個(gè)電極α波更高(p<0.05),集中于枕葉(Pz、POz、Oz 和O2)與右顳葉(T8)。枕葉作為視覺(jué)皮層核心區(qū),其激活與規(guī)則景觀的“直線軸線+幾何圖案”強(qiáng)視覺(jué)刺激直接相關(guān);右顳葉(T8)涉及視覺(jué)信息整合,表明規(guī)則布局的可預(yù)測(cè)性可能通過(guò)簡(jiǎn)化視覺(jué)處理提升局部舒適度。
 
  圖4 兩組景觀設(shè)計(jì)方案中各腦區(qū)電極差值(p 值)與各腦區(qū)電極 α 值的比較
2.主觀認(rèn)知差異的量化對(duì)比
(1)物理特征感知
規(guī)則景觀在節(jié)奏感知和秩序感上得分顯著更高,反映其“直線道路+對(duì)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)”布局的強(qiáng)規(guī)律性;自由景觀的自然度和隱蔽性評(píng)分突出,與其“曲徑+植被遮擋”設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

(2)心理情感反饋
規(guī)則景觀的安全感和依賴(lài)感得分更高(見(jiàn)圖5),可能源于清晰的空間結(jié)構(gòu)降低了環(huán)境不確定性;自由景觀在愉悅感上略?xún)?yōu),但未達(dá)顯著水平。
 
  圖5 15組主觀評(píng)價(jià)因素的平均得分和差異檢驗(yàn)結(jié)果
3.景觀特征與腦區(qū)的關(guān)聯(lián)性解析
為了探索主觀因素評(píng)分與腦電α波之間的關(guān)系,研究者選取了18組電極上對(duì)兩種景觀的α波幅值差異(αD1–αD2),與主觀因素評(píng)分差異(SD1–SD2)進(jìn)行了相關(guān)分析(結(jié)果見(jiàn)圖6)。主要結(jié)果有:
(1)節(jié)奏感知與枕葉O1和Oz電極α波呈正相關(guān)(見(jiàn)圖6),進(jìn)一步比較兩種景觀在O1(代表左枕葉)和O2(代表右枕葉)上誘發(fā)的α波幅值的差異與節(jié)奏感評(píng)分的均值 (見(jiàn)圖7左),提示強(qiáng)節(jié)奏刺激對(duì)左右枕葉的非對(duì)稱(chēng)影響——左側(cè)枕葉可能更敏感于規(guī)律性視覺(jué)輸入,右側(cè)枕葉則在自然無(wú)規(guī)律場(chǎng)景中更活躍。
(2)自然度與左顳葉T7和右顳葉T8電極α波呈顯著負(fù)相關(guān)(見(jiàn)圖6),與右顳葉T8電極負(fù)相關(guān),然而在這兩個(gè)電極上兩種景觀誘發(fā)的α波幅值和自然度評(píng)分均值呈相反的關(guān)系(見(jiàn)圖7 右),表明自然元素可能通過(guò)激活左側(cè)情緒調(diào)節(jié)腦區(qū)提升舒適感,而規(guī)則景觀的人工特征可能過(guò)度刺激右側(cè)視覺(jué)整合區(qū)域,導(dǎo)致局部疲勞。
 
  圖6 主觀因素得分與腦電圖α波值相關(guān)。
注:*:p ≤ 0.05
    圖7 設(shè)計(jì) D1 和 D2 中電極的 α 值與主觀因素得分的比較
四、結(jié)論與討論
(一)研究結(jié)論與科學(xué)價(jià)值
該研究在基于虛擬現(xiàn)實(shí)的自由形態(tài)與規(guī)則形態(tài)景觀研究中,創(chuàng)新性地借助EEG技術(shù)揭示了景觀布局對(duì)腦區(qū)活動(dòng)的差異化影響:自由形態(tài)景觀的“去規(guī)則化”特征通過(guò)多腦區(qū)協(xié)同激活(情緒調(diào)節(jié)+空間感知)實(shí)現(xiàn)廣泛的生理舒適,與Roger Ulrich(1981)“自然景觀促進(jìn)壓力恢復(fù)”的經(jīng)典結(jié)論一致;而規(guī)則形態(tài)景觀的“幾何秩序”依賴(lài)視覺(jué)皮層(枕葉)的高效處理引發(fā)局部舒適響應(yīng),補(bǔ)充了Linhong Wang(2016)關(guān)于“高對(duì)比度景觀刺激腦波α值”的發(fā)現(xiàn)。主觀問(wèn)卷與生理數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證,構(gòu)建了“景觀特征—腦區(qū)響應(yīng)—舒適體驗(yàn)”的三層關(guān)聯(lián)模型,為量化評(píng)估提供了跨學(xué)科框架。

(二)研究局限與展望
盡管本研究通過(guò)EEG與VR技術(shù)揭示了景觀形態(tài)對(duì)腦區(qū)活動(dòng)的差異化影響,但仍存在以下局限:首先,樣本量較?。╪=30)且參與者群體以學(xué)生為主,可能限制結(jié)論的普適性,未來(lái)需擴(kuò)大樣本覆蓋不同年齡、職業(yè)及文化背景人群;其次,VR模擬雖提升了實(shí)驗(yàn)控制力,但與真實(shí)環(huán)境的感官反饋(如觸覺(jué)、嗅覺(jué))存在差異,后續(xù)可結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)增強(qiáng)生態(tài)效度;此外,研究主要聚焦α波指標(biāo),未整合其他生理參數(shù)(如心率變異性、皮電反應(yīng)),多模態(tài)數(shù)據(jù)融合將更全面解析景觀感知機(jī)制。

原文鏈接
Ren, H., Zheng, Z., Zhang, J., Wang, Q., & Wang, Y. (2024). Electroencephalography (EEG)-Based Comfort Evaluation of Free-Form and Regular-Form Landscapes in Virtual Reality. Applied Sciences, 14(2), 933. 
https://doi.org/10.3390/app14020933.

作者及研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究由河北工程大學(xué)建筑與情感國(guó)際研究中心(International Research Center of Architecture and Emotion, Hebei University of Engineering)的Hongguo Ren、Jing Zhang、Yujun Wang團(tuán)隊(duì)與中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment, China Academy of Building Research)的Ziming Zheng、Qingqin Wang合作完成。研究得到韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)(NRF)的資助(項(xiàng)目編號(hào):RS-2023-00239818),實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)河北工程大學(xué)倫理委員會(huì)審批(協(xié)議代碼:BER-YXY-2023031)。

關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)(北京)信息技術(shù)有限公司成立于2006年,是一家專(zhuān)注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系,致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者,為用戶(hù)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù),協(xié)助用戶(hù)的科研工作,持續(xù)提升使用體驗(yàn)。

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