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性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响

应申 庄园 黄丽娜 陈乃镔 张雯博

应申, 庄园, 黄丽娜, 陈乃镔, 张雯博. 性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
引用本文: 应申, 庄园, 黄丽娜, 陈乃镔, 张雯博. 性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
YING Shen, ZHUANG Yuan, HUANG Li'na, CHEN Naibin, ZHANG Wenbo. Impact of Gender, Cognitive Differences in 3D Scenes on Wayfinding[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
Citation: YING Shen, ZHUANG Yuan, HUANG Li'na, CHEN Naibin, ZHANG Wenbo. Impact of Gender, Cognitive Differences in 3D Scenes on Wayfinding[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184

性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响

doi: 10.13203/j.whugis20190184
基金项目: 

自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室开放基金 KF-2018-03-010

国家自然科学基金 41671381

“十三五”国家重点研发计划 2017YFB0503500

详细信息
    作者简介:

    应申, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究领域为地图学、3DGIS与三维地籍、智慧城市与位置关联大数据。shy@whu.edu.cn

    通讯作者: 黄丽娜, 博士, 副教授。linahuang@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P208

Impact of Gender, Cognitive Differences in 3D Scenes on Wayfinding

Funds: 

The Open Fund of Key Laboratory of Urban Land Resources Monitoring and Simulation, Ministry of Natural Resources of China KF-2018-03-010

the National Natural Science Foundation of China 41671381

the National Key Research and Development Program of China 2017YFB0503500

More Information
    Author Bio:

    YING Shen, PhD, professor, specializes in cartography, 3DGIS and 3D cadastre, big geo-data in smart city. E-mail: shy@whu.edu.cn

    Corresponding author: HUANG Li'na, PhD, associate professor. E-mail: linahuang@whu.edu.cn
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-05
  • 刊出日期:  2020-03-05

性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响

doi: 10.13203/j.whugis20190184
    基金项目:

    自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室开放基金 KF-2018-03-010

    国家自然科学基金 41671381

    “十三五”国家重点研发计划 2017YFB0503500

    作者简介:

    应申, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究领域为地图学、3DGIS与三维地籍、智慧城市与位置关联大数据。shy@whu.edu.cn

    通讯作者: 黄丽娜, 博士, 副教授。linahuang@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P208

摘要: 从个体差异的角度出发,研究不同性别、参考框架和地图浏览方式的被试者在三维虚拟场景中对空间寻路的时间和路径选择的影响。选择故宫的大尺度三维场景作为实验环境,限定寻路视角为第一视角,模拟日常生活中寻路过程。实验结果表明,性别对完成时间有显著影响,男性寻路时间要明显短于女性,但是被试者在三维场景中完成寻路任务的路径复杂度无性别差异;不同参考框架对完成时间有明显差异,且协调参考框架时间最短,但是对路径复杂度没有差异;不同地图浏览方式对路径复杂度的影响效果显著,其中全局型要比地标型表现更优。

English Abstract

应申, 庄园, 黄丽娜, 陈乃镔, 张雯博. 性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
引用本文: 应申, 庄园, 黄丽娜, 陈乃镔, 张雯博. 性别和认知差异对三维空间寻路结果的影响[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
YING Shen, ZHUANG Yuan, HUANG Li'na, CHEN Naibin, ZHANG Wenbo. Impact of Gender, Cognitive Differences in 3D Scenes on Wayfinding[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
Citation: YING Shen, ZHUANG Yuan, HUANG Li'na, CHEN Naibin, ZHANG Wenbo. Impact of Gender, Cognitive Differences in 3D Scenes on Wayfinding[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(3): 317-324. doi: 10.13203/j.whugis20190184
  • 在大城市中寻路可能会遇到挑战。在自然空间中,人类可以游刃有余地绕过障碍,通过自身与环境的不断交互寻找到达目标地的路径,但是不同的人群选择的路线和策略却截然不同[1-3]。寻路是个体与环境之间进行的复杂交互过程,过程中个体需要对环境信息进行知觉加工、空间运算并执行决策[4]。目前对寻路过程中个体差异的研究主要集中在性别、专业背景、年龄等主体因素上[5]。本文考虑到个体在三维场景中的认知差异,并总结已有的研究结论,讨论性别、参考框架和地图浏览方式3个方面的个体差异对寻路行为的影响。

    对于空间能力和寻路表现的两性差异研究历史悠久,大多数的研究表明男性在心理旋转能力、空间定向等方面要优于女性[5-7],但是在日常生活中可以发现,各个年龄层次的女性都比男性更喜欢逛商场[8],而且女性可以轻松地穿越种种障碍找到自己心仪的商品。因此在这种大尺度、高同质化的环境下,男性的寻路表现是否仍然优于女性,在同质空间环境中男性的空间能力是否优于女性,本文选取故宫的三维场景作为实验环境探究此类问题。

    Piaget对儿童参考系的研究开创了参考系理论研究的先河,他指出空间位置关系编码存在从自我中心向客体中心发展的过程[9]。之后的研究也已经证实了自我中心编码和客体中心编码的存在。文献[10]在Piaget对空间参考系研究的基础上,认为空间关系的参考框架有3个发展阶段:自我中心的参考框架、固定的参考框架和协调的参考框架。在以自我为中心的参考框架中,个体以自己作为中心对环境中的所有物体定向,而忽略空间旋转对空间关系的影响。固定的参考框架发生在早期的具体操作阶段,从以自我为中心转向以特定对象的固定位置作为定向的中心,通常是他们最熟悉的对象。协调的参考框架,个体能够感知到所有可能到达的已知物体位置的路线。定向的中心不再是空间中的自身的位置或熟悉的地标之间的关系,而是针对更广泛的领域,对周围环境有整体的架构。

    人在不熟悉环境下的认知表现可以通过眼球的运动体现出来,因此解析眼动数据将最大程度还原个体的认知过程[11]。近些年来,眼动追踪技术主要被应用于评价软件界面和地图的人性化设计[12-14]。个体在寻路过程中如何选取地标一直困扰着各界学者,眼球的注视时长和频率在一定程度上可以反映个体对物体的感兴趣程度[15],因此眼动数据被广泛应用于研究个体地标的选取[16-17]。然而,直到最近,眼球运动数据才被用于研究寻路和导航过程中的空间认知机理。大量研究已经证明,用户网络浏览行为会受个人定向能力强弱的影响[18-19], 而空间视觉化能力对搜索行为的影响不明显[20]。目前对地图浏览行为的研究较少,因此本文借助眼动仪追踪被试者在浏览地图过程中的眼球注视点,从被试者的性别、参考框架和地图浏览方式出发,研究这3个因素对被试者在三维均质空间环境中完成寻路任务的时间和路径选择的影响。

    • 根据性别、地图浏览方式和参考框架个体差异因素对被试群体进行划分,采用t检验、ANOVA单因素分析和多因素方差分析,探究性别、地图浏览方式和参考框架对被试者在三维场景中完成寻路任务的时间和路径复杂度的独立差异性和交互差异性影响。

      实验共有56名被试者,其中眼动采集率达到80%的被试者数量为45人。实验参与者均为在校大学生,年龄均在18~24岁范围内,有效被试者中男生22人、女生23人。他们来自不同学科背景,所有参与者的视力均正常或矫正至正常;均能使用电脑进行基本操作,且在实验前均不熟悉实验场景和实验流程。

      实验使用Tobii Pro Glasses 2眼动仪来记录眼球运动数据和跟踪目标搜索路径。Tobii Pro Glasses 2的采样率为50 Hz。它们的水平和垂直跟踪范围分别为82°和52°。眼动仪与笔记本电脑相连,该电脑用来采集、记录和储存眼动数据,同时呈现三维场景。

    • 在实验环境的选择上,目前空间认知实验环境大多选择室内环境[21]或者简单的室外和像迷宫一样的虚拟环境[22-23],实验空间的尺度小,实验任务简单。故宫的空间尺度大,同时其同质性满足实验的要求,因此选择故宫三维场景作为实验环境,探索性别、参考框架和地图浏览方式对个体寻路行为的影响。

      由于故宫博物院全景过于复杂,因此实验对故宫场景进行了简化处理,场景俯视图如图 1(a)所示。实验过程中,被试者全部从场景同一起点出发,在完成任务过程中一直以第一视角在场景中通过鼠标和键盘的简单操作进行自由漫游、视角切换等行动,如图 1(b)所示。

      图  1  实验场景示意图

      Figure 1.  Experimental Scene

    • 实验可分为3个阶段:

      1)熟悉操作环境。为避免被试者操作熟悉程度对结果的影响,在测试前用与实验场景完全不同的场景介绍必须掌握的操作,并向被试者演示在三维场景中前行,然后被试者自己操作电脑完成一次转弯和直行即结束该部分。

      2)寻路实验中被试者需要在故宫三维场景中完成寻路任务。首先每个被试者有2 min时间浏览故宫场景地图,3个目标点(图 1(a)中绿色圆形标识)的位置标识在地图上,但是被试者并不知道三维场景中的起点(图 1(a)中红色三角标识),在其过程中,被试者可以根据自己的意愿浏览、记忆。任务开始后,被试者从统一的起点,无时间限制、无先后顺序地在场景中寻找3个目标点。当3个目标点全部正确找到之后,任务成功。在此期间,被试者可以随时放弃任务。

      3)寻路任务结束后,被试者需要在纸上完全凭自我意识绘制心象地图。当被试者绘制完成后,结束本阶段。

    • 本文根据文献[10]的方法将参考框架具体划分为自我参考框架、固定参考框架以及协调参考框架3种。以被试者完成的心象地图作为参考框架的评价依据[17],主要根据被试者所绘制心象地图的精细程度、心象地图中可识别建筑物的多少以及地标性建筑物所在位置是否正确这3个因素对参考框架进行划分。在反映以自我为中心的参考框架(图 2(a))的心象地图中,地图中内容以被试者自我为中心,这些地图通常显示的内容不够详细,心象地图中可识别建筑物的数目不足建筑物总数的30%,地标性建筑物所在位置的准确率也小于30%。固定的参考框架(图 2(b))是以固定的位置或地标作为心象地图的中心。这些地图通常显示的内容较详细,心象地图中可识别建筑物的数目和位置的准确率在30%~60%之间,地图内容要比自我参考框架信息量大。在协调的参考地图框架(图 2(c))中,地图内容都以抽象和协调的方式对齐,并以场景的整体框架或者道路结构作为地图基准。这些地图通常显示的内容最详细,心象地图中可识别建筑物的数目和位置的准确率在60%以上。

      图  2  3种不同参考框架的心象地图

      Figure 2.  Mental Maps of Three Different Reference Frames

    • 本文根据被试者眼球注视点的分布特征,结合文献[24]提出的地标表征、路线表征和整体表征3种空间认知模式,将地图浏览方式确定为地标型和全局型。选择地标型地图浏览方式(图 3(a))的被试者的注视点集中分布在场景中对个体具有重要意义的建筑物上, 被试者对地标建筑物的空间位置不关注。全局型地图浏览方式(图 3(b))的被试者除了关注地标建筑之外,更关注场景的总体结构。

      图  3  两种地图浏览方式的视点分布图

      Figure 3.  Eye Heat Maps of Different Map-Browsing Styles

    • 路径复杂度是将被试者寻路所选择的路径长度和转角的标准化处理之后的值进行相加。由于路径长度和转角的单位不统一,无法直接进行叠加,因此需要进行标准化处理,去除各个指标量纲的影响。将min-max标准化方法进行改进,使得结果区间为[0.1, 0.9],路径复杂度分布如图 4所示。

      图  4  路径复杂度分布

      Figure 4.  Numerical Distribution of Path Complexity

    • 本文以性别、参考框架和地图浏览方式为3个因子,研究这3个因子对被试者在故宫三维场景中完成寻路任务的时长和路径复杂度的影响。在进行差异性分析之前,需要对数据利用Kolmogorov-Smirnov(简称K-S检验)方法检验数据是否符合正态分布,并选择Levene’s方法检验数据的方差齐性。根据表 1所示的检验结果,完成时间和路径复杂度均呈正态分布且方差具有同质性,可以进行方差分析。

      表 1  K-S和Levene's检验结果

      Table 1.  Test Results of K-S and Levene's

      因变量 K-S检验 Levene’s检验
      Z 显著性p > 0.05 显著性p > 0.05
      寻路时间 0.122 0.090 0.635
      路径复杂度 0.073 0.200 0.569
    • 性别和地图浏览方式中每个变量只含有2个独立样本,且完成时间和路径复杂度均符合正态分布,因此本文分别以性别、地图浏览方式为因子对完成时间和路径复杂度这两个因变量进行t检验,若p值大于0.05,在95%置信区间内,接受原假设,可以说因子对因变量有显著差异。但是对于参考框架,该变量含有3个独立样本,不符合t检验的要求,因此采用ANOVA分析进行差异显著性检验。

    • 对性别、地图浏览方式被试者寻路时间进行t检验,对参考框架被试者完成时间进行ANOVA分析。根据表 2所示的检验结果不难看出,性别、地图浏览方式和参考框架对寻路时间检验的p值均小于0.05,也就是说在95%置信区间内,性别、地图浏览方式和参考框架对完成时间均有显著性差异。其中,性别和参考框架对完成时间的影响比较接近,但是性别对完成时间的影响显著性更强一些。对参考框架中的3个独立样本进行事后检验,固定参考框架和协调参考框架两组间无显著性差异,而自我参考框架和固定参考框架(显著性p=0.043 < 0.05)、自我参考框架和协调参考框架(显著性p=0.02 < 0.05)有显著差异。

      表 2  性别、地图浏览方式和参考框架对完成时间显著性检验结果

      Table 2.  Significance Test Results of Time by Gender, Map-Browsing Style and Reference Frame

      检验因子 组别 均值±标准差/s p t F
      性别 男性 447.27±213.36 0.026 -2.303
      女性 567.44±209.51
      地图浏览方式 全局型 461.59±220.69 0.040 -2.114
      地标型 598.78±201.32
      参考框架 自我参考框架 596.16±211.53 0.027 3.950
      固定参考框架 446.38±144.70
      协调参考框架 391.25±276.82
      注:表 2中性别和地图浏览方式进行t检验,故F值为空;参考框架进行ANOVA分析,故t值为空
    • 同样,对性别、地图浏览方式被试者路径复杂度进行t检验,参考框架被试者路径复杂度进行ANOVA分析。

      根据表 3所示的检验结果不难看出,地图浏览方式和参考框架对路径复杂度检验的显著性p值均小于0.05,也就是说在95%置信空间内,地图浏览方式和参考框架对被试者路径选择有显著性差异。但是, 性别在被试者路径选择上没有表现出差异性。对参考框架中的3个独立样本进行事后检验,只有自我参考框架和协调参考框架之间的路径复杂度有显著性差异(显著性p=0.016 < 0.05),其他两组之间的路径复杂度没有差异。

      表 3  性别、地图浏览方式和参考框架对路径复杂度显著性检验结果

      Table 3.  Significance Test Results of Path Complexity by Gender, Map-Browsing Style and Reference Frame

      检验因子 组别 均值±标准差/s p t F
      性别 男性 0.452±0.183 0.575 -0.565
      女性 0.486±0.209
      地图浏览方式 全局型 0.408±0.200 0.008 -2.777
      地标型 0.562±0.151
      参考框架 自我参考框架 0.527±0.184 0.045 3.329
      固定参考框架 0.445±0.165
      协调参考框架 0.336±0.223
      注:表 3中性别和地图浏览方式进行t检验,故F值为空;参考框架进行ANOVA分析,故t值为空
    • 为探究性别、地图浏览方式和参考框架对完成时间和路径复杂度的交互影响, 本文采用2(男性、女性)×2(全局型、地标型)×3(自我型、固定型、协调型)多因素方差分析。

    • 以性别、参考框架及地图浏览方式为自变量、以寻路时间为因变量进行的方差分析显示:性别主效应显著,F=5.770,显著性p=0.021 < 0.05;参考框架主效应显著,F=3.545, 显著性p=0.039 < 0.05。性别、参考框架与完成时间的交互作用呈边缘不显著,F=2.007, 显著性p=0.148 > 0.05。相比之下,性别比参考框架对寻路时间的影响更显著,且男性的平均时长比女性的平均时长明显要短。

      根据性别进一步划分数据,以完成任务的时间为因变量,分别对男性、女性样本组进行2(地图浏览方式)×3(参考框架)多因素方差分析。

      1)对男性组别来说,地图浏览方式主效应不显著,F=0.08,显著性p=0.931 > 0.05;参考框架主效应显著,F= 4.587,显著性p=0.027 < 0.05。因此对于男性组别来说,地图浏览方式对完成时间没有显著的影响;两种不同的地图浏览方式的男性,选择协调参考框架的完成时间最短,自我参考框架的完成时间最长,如图 5(a)所示。但是选择全局型阅读方式的男生,固定参考框架与协调参考框架对完成时间的影响更大。与之相反,选择地标型阅读方式的男生,固定参考框架与自我参考框架对完成时间的影响更大。

      图  5  参考框架、地图浏览方式对寻路时间交互影响

      Figure 5.  Interaction Time Effects of Reference Frame and Map-Browsing Style on Time

      2)对女性组别来说,地图浏览方式主效应显著,F=6.614,显著性p=0.02 < 0.05;参考框架主效应不显著,F=0.297,显著性p=0.747 > 0.05。参考框架、地图浏览方式与完成时间的交互作用呈边缘不显著,F=0.946,显著性p=0.408 > 0.05。因此对于女性分组来说,地图浏览方式对完成时间的影响显著;其中,选择全局型地图浏览方式的女性比地标型阅读方式的完成时间明显要短,如图 5(b)所示。而参考框架对完成时间没有明显的影响,但是选择协调参考框架的完成时间最短(均值为566 s),自我参考框架次之(均值为586 s),固定参考框架最差(均值为681 s)。

    • 以性别、参考框架及地图浏览方式为自变量、以路径复杂程度为因变量进行的方差分析显示:地图浏览方式主效应显著,F=8.245,显著性p=0.007 < 0.05;参考框架主效应不显著,F=1.146, 显著性p=0.328 > 0.05。因此,不同地图浏览方式对被试者在实验场景中选择路径复杂度有显著影响,但是选择不同参考框架的被试者的路径复杂度没有显著差异。

      根据地图浏览方式和参考框架对路径复杂度的交互差异分析结果,将数据根据地图浏览方式进一步划分,以路径复杂程度为因变量, 分别对两个组别进行2(性别)×3(参考框架)的多因素方差分析, 结果发现:

      1)选择全局型地图浏览方式的样本中,性别主效应不显著,F=0.907, 显著性p=0.352 > 0.05;参考框架主效应显著,F=3.911,显著性p=0.036 < 0.05。因此在这个分组中,不同参考框架对被试者的路径复杂度有显著影响。其中,协调参考框架最优,固定参考框架次之,自我参考框架最差,如图 6(a)所示。

      图  6  性别、参考框架对路径复杂度交互影响

      Figure 6.  Interaction Effect of Gender and Reference Frame on Path Complexity

      2)选择地标型阅读方式的样本中,性别、参考框架以及性别与参考框架的交互作用呈边缘不显著。也就是说,性别和参考框架对整体阅读方式样本的路径复杂程度没有明显影响。但是,在地标浏览方式组中,仍然可以得出选择协调参考框架的被试者路径选择最优(均值为0.54),自我参考框架次之(均值为0.56),固定参考框架最差(均值为0.58),如图 6(b)所示。

    • 本文重点探讨性别、参考框架和地图浏览方式3个因素对被试者在实验场景中寻路任务的完成时间和路径复杂度的影响,在分析过程中,不只关注3个因素对时间和路径复杂度的独立影响,还考虑到这3个因素的交互影响。为了更直观表达,本文将分析过程和结果总结在图 7中。

      图  7  差异性分析过程总结

      Figure 7.  Summary of Difference Analysis

      1)不同性别人群在寻路时间上有明显差异,且男性的完成时间要明显短于女性,但是男性和女性选择的路径复杂度几乎没有差异。实验过程中被试者在三维场景中的行走速度一致,因此可以得出:在大尺度、高同质性的场景下,男性会更快地完成寻路任务,但是女性会更愿意花时间停下来观察周围的环境,减少迷路的风险,并选择更优化的路线。已有研究认为男性在心理旋转能力、空间定向等方面要优于女性[1, 6-7],但是实验发现,虽然女性会比男性花费更长时间,但是女性在寻路任务中并不是完全没有优势,她们在路径选择上更加谨慎。

      2)在对任务完成时间进行分析时,发现男性组别中参考框架对任务时间影响显著,且选择协调型参考框架的被试者寻路时间更短。在女性组别中发现参考框架对任务时间没有显著影响。在对任务完成路径复杂度进行分析时,对于全局型地图浏览方式的组别中,发现参考框架对路径复杂度影响显著,但是地标型地图浏览方式组别中没有差异。这主要是由于本文实验是根据被试者完成的心象地图内容来划分被试者选择的参考框架,但是被试者所绘制的心象地图内容详细程度可能会受到被试者自身意志的限制,因此本文实验对被试者参考框架的划分方法存在不可避免的误差。实验发现,选择协调型参考框架的被试者,在完成时间和路线选择上都要表现得更优。

      3)在女性组别中,不同的地图浏览方式对完成时间有影响,且选择全局型要比地标型时间短。而不同的地图浏览方式对路径复杂度有明显影响,且选择全局型地图浏览方式的被试者路径复杂度明显低于地标型。但是本文地图浏览方式是根据被试者浏览地图过程中注视点的分布划分的,在以后的研究中,可以将眼动次序和眼跳数据列入划分依据。

      本文虽然得到了一些结论,但是实验过程中仍存在一些不足:(1)受限于实验条件,本文在虚拟场景下得到的结论对真实地理空间的有效性有待进一步探究。虽然本文实验尽可能给被试者提供真实感,但是相较真实地理空间的寻路过程,虚拟场景提供的三维空间感仍不能和真实场景对等;(2)实验的被试者全部为在校大学生,虽然保证了样本男女比例均衡、专业跨度较大,但是被试者地区差异性较小、年龄段比较集中,因此实验结论缺乏一定的普适性;(3)本文实验场景只有一个,得到的结果不可避免地会存在一定偶然性。

      考虑到本文实验存在的不足之处,在后续的实验设计中需要做相应的调整。首先,本文实验从宏观的角度,采用时间和路径复杂度来评价被试者的寻路行为,下一步实验需要将被试者在三维场景中的寻路行为用眼动参数解析出来,更深入地分析被试者在过程中的所思所想。同时,尽可能找到同质性较高的真实场景,或者借助虚拟现实技术实现被试者全沉浸式漫游。当然,被试范围需要进一步扩大,以提高实验结论的普适性。

参考文献 (24)

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