虚拟现实行人交通安全教育综述

罗 元 任爱珠

(北京市清华大学土木工程系防灾减灾研究所，北京 100084)

虚拟现实行人交通安全教育综述

罗 元 任爱珠

(北京市清华大学土木工程系防灾减灾研究所，北京 100084)

本文探讨了虚拟现实技术应用在行人交通安全教育领域的意义和适宜性以及相比普通多媒体技术的优势，并且介绍了国外相关研究的进展情况，总结了目前虚拟现实技术应用在行人交通安全教育领域的缺点，并对这项技术未来发展的趋势进行了展望。

虚拟现实;行人;适用性;沉浸感

1 虚拟现实在交通安全教育中的意义

我国是一个交通事故频发的国家，尽管近年来随着《中华人民共和国道路交通安全法》的颁布和实施，国内交通事故的发生已经开始呈现逐年下降的趋势［1］，但不容否认的是，交通安全形势仍然不容乐观，每年的交通事故死伤人数和导致的直接经济损失依旧是一个天文数字。相关统计表明，这些交通事故中的大多数都是由于驾驶员缺乏责任心的鲁莽驾驶导致的，但也有为数不少的交通事故是由于行人不遵守交通规则、交通安全意识淡薄引起的。交通参与者总是交通事故的最广大肇事者［2］。于是这也就牵涉到一个交通文化的问题。

所谓交通文化［3］，是指整个国家的交通参与者的交通技能、态度、交通知识、交通训练等一切的总和。长远来看，预防总是胜过补救，因此好的交通文化对一个人的影响越早，它在未来防范交通安全事故的作用也就越大，也就是说，如果能够在小学就开展合适的道路交通安全教育，那么这对孩子们的交通安全意识的提高会大有裨益。但遗憾的是我国目前在这方面所做的工作还很少，在大多数地区教育部门和交通部门甚至从来没有意识到开展道路交通安全教育的重要性，无论是在学校中还是在社会上。

因此创建一个交通安全教育体系就显得尤为重要，而这就牵涉到用什么方法创建的问题。多媒体技术在国外已经被证明了是一个交通安全教育的好方法，但是多媒体技术并不是完美的，它也有诸多自身的问题，比如，不够生动、不够真实等等，这样的情况下，虚拟现实技术在交通安全教育领域就有了用武之地。

在了解虚拟现实技术相比于普通多媒体技术的优势之前，我们应该重新审视交通安全教育的含义。大多数人都把教育理解为对知识的教导传播，但是至少在交通安全领域，仅仅传播知识是远远不够的。受教育者不仅需要了解知识(交通规则等)，更重要的是把这些知识应用于实践，因此他们还需要学会应用知识的技能。根据相关研究，交通安全教育中最主要、最常用的两个技能是［4］:1)侦测交通现状;2)协调理解现有交通信息(如不同方向、不同车道信息等)。只要能够掌握这两项技能，受教育者就能够安全地进行交通行为。从这个方面来看，在交通安全教育中，对技能的教导的重要性更甚于对知识的教导。但是从目前国内外普遍使用的交通安全教育方法来看，各国对交通安全教育，尤其是对孩子们的交通安全教育更多的是偏重于教授传统知识，而没有很好的意识到技能在交通安全行为中所起到的重要作用。而且即使是教授书上的知识，也只占很少的一部分，老师们更是不鼓励在实践中、真实环境下切身体会的学习，这样的教授效果可想而知。

也有一些教育方法是在真实的交通环境中进行的，比如交通公园法［5］、“虚拟路”法等，这些方法都在一定程度上改善了受教育者的技能水平，它们对真实的环境模拟得越好，对受教育者的技能改善也就越大。因此，对真实环境的模拟程度，就成为衡量一种交通安全教学方法的重要标准。

由此可以得出，一种好的交通安全教学方法，应该具有以下的一些基本特征:［6］

1)它应该能够表现出真实环境的多样性和复杂性，而且要尽量避免对真实环境的简化;

2)它可以让学生投入到真实可信的环境中学习;

3)它应该能够让学生很好地把学到的知识和具体的应用相结合;

4)它应该鼓励学生在具体行动之前充分的思考;

5)它应该鼓励学生们进行相互间的协作而不是竞争。

人的大脑认识世界是通过两种方式进行的:第一人称方式和第三人称方式［7］。所谓第一人称方式就是指人脑从自我的视角出发，通过直接、个人、主观、感官的接触认识世界，而没有太多更深的思考，例如条件反射，就是人脑在接受外界刺激以后不假思索地给出反应的指令;而第三人称方式则要复杂一些，也要深层一些，它是以旁观者的视角，通过经验、别人的故事、反思等等一系列深层次思考以后间接得出的对世界的认识，应该说这样的认知方式是人区别于绝大多数动物的根本原因，也是人之所以为人的根本原因，这样的认知方式更加复杂和难于理解。同时，第三人称认知方式带来的另一个问题就是符号的运用，大脑要思考就必须要使用符号，所以第三人称的认知方式总是需要大脑翻译各种不同的符号，以使自己理解，这样就难免出现对信息的曲解和遗失，而且理解也会稍微慢一些。

在交通安全教育中，毫无疑问采用第一人称认知方式的教学是更好的教学，因为由第一人称认知方式得来的对外部世界的理解无需刻意思考，更加直接，更加完整，反应也更加迅速;而第三人称认知方式需要受教育者翻译、理解所教导的含义，再去把这样的理解应用到实际中，这在瞬息万变的现实交通状况中会带来潜在的风险。这也就是虚拟现实技术相比普通多媒体技术的最大优势所在:普通多媒体技术无论如何都只能提供第三人称的交流方式，它们必须要通过符号才能与受教育者交互，而这就要求受教育者首先要理解每一个符号的含义，加大了交流的难度;虚拟现实的作用正是尽可能地扔掉这个符号层对人机交流的过滤，带给受教育者第一人称的直观感受。

2 虚拟现实交通安全教育研究现状

目前国内关于交通安全行人教育的研究才刚刚起步，而国外已经有了不少相关实验研究，它们都很好地验证了虚拟现实在交通安全教育中的适用性。［8-10］在 Jodie M.Plumert等人的实验中［8］，被测试者被安排在不同条件下的真实环境中和在由3块10×8英尺大屏幕270℃环绕组成的虚拟环境中分别辨识目标点离开自己的距离，结果表明，人们在大屏幕虚拟环境里的距离感和真实环境中几乎完全相同，而在数据头盔虚拟环境里的距离感则与真实环境中略有不同:人们在数据头盔里往往会低估他们看到的距离。这样的差异很有可能是由于数据头盔里的视场与人们在真实环境中所习惯的中心视场不一样所造成的。在Robert J.Matheis等人的另一个实验中［9］，不同类型的被测试者被要求学习和记住一个办公室场景，实验结果表明，虚拟环境下人脑的学习和记忆能力不会与真实环境中有太大差别，人们在虚拟环境中完全能够像平常一样学习新的知识和技能，并把他们应用到现实生活中去。

在 David C.Schwebel等人的实验中［11］，年龄从8－16岁不等的儿童在一个三屏幕组成的道路交通虚拟环境中被配训如何安全的穿过马路，通过这些儿童对该培训的反馈，可以得知他们几乎一致地认为该虚拟环境是一个新颖、有效而且逼真的交通安全培训方法。而Gordon Simpson等人的实验则比较注重对技能的培训［12］。Simpson认为，之所以10岁以下儿童的交通事故发生率远高于其他年龄层次的交通参与者，其最主要的原因在于，10岁以下的儿童缺乏综合处理交通流信息的能力。进一步说，过马路时行人需要考虑的因素包括车速、车间距、行人自身的速度，以及对过马路的时机的判断等，其中最重要的两点在于对车速和车间距的判断，我们知道，对于不同速度的车辆，即使他们之间的间距相同，下一辆车开过这段间距的时间也是不同的，因此我们可以用一个“时间车间距”作为车速和车间距的函数，来表达这两个因素之间的相互关系。时间车间距就是指下一辆车通过当前车间距所需要的时间长度，可见这个因素综合了车速与车间距的影响。而Simpson的实验的着眼点就在于建立儿童对于时间车间距的判断，并让他们把这样的判断和他们的个人条件(如自身速度等)以及环境条件综合起来，以培养安全穿过马路的技能。Simpson通过在一个大屏幕虚拟环境中建立的单车道道路来进行实验，在实验中，会出现保持车速(可以选择的速度分别为40、50、60km/h)相同和保持车间距相同(可以选择的车间距分别为65、75、85m)的两种车流，儿童们则需要分别多次穿过这样的车流(顺序随机)。当不安全的穿越马路行为发生时，屏幕上会显示出发生交通意外的动画，以提醒被测试者该次行为不安全。通过一系列这样的实验过后，Simpson得到了一些有益的结果，其中包括:被测试者的交通事故发生率与他们的年龄成反比，越年幼的被测试者事故发生率越高，而同时，女性比男性更容易发生交通事故。最值得关注的一点是，所有的被测试者在保持车速相同的实验中的表现，都要比在保持车间距相同的实验中要好，这在一定程度上证明了，大多数儿童都将车间距作为一个简要的标准去判断时间车间距是否足够，而省略考虑车速对时间的影响。这一现象虽然不能表明儿童缺乏对时间车间距综合理解和判断的能力，但至少为今后研究指出了一个方向。

图1 正在进行中的虚拟现实行人交通安全培训实验

在另一个实验中［13］，Melinda Congiu等人更是通过跟踪观察接受虚拟环境培训的儿童的交通安全行为，来评估和检验虚拟环境对儿童的交通技能的培训作用。这个实验的具体方法与Simpson的实验方法类似，但它的不同之处在于整个实验中的反复培训过程:在正式实验前，首先要对参与实验的儿童进行交通安全行为的跟踪监测，并对他们第一次培训，让被测试者熟悉和掌握虚拟环境中过马路的方法;6～8个月以后正式培训开始，正式培训的第一步是要进行讨论与教学，充分启发儿童对车辆时间间距的理解，并让他们估测自己安全过马路所需要的时间，然后用与之前类似的方法让儿童在虚拟环境中进行培训，并对自己每次过马路的安全程度进行评价;一周后，实验人员会对儿童的交通安全行为进行第二次跟踪监测，一个月以后进行第三次监测。监测的结果表明，对儿童在虚拟环境中培训的效果是非常明显的:培训后他们明显减少了交通危险行为，而且可以观察到，在虚拟环境中教授给儿童的对时间间距的判断技巧，能够有效的转化为在现实生活中对时间间距的判断，而且效果持久。

此外，Joan McComas等人则设计了一个拥有8个交叉路口的桌面虚拟城市［14］，要求参与测试95名来自城市和乡村地区(多为移民)的10岁以下儿童从城市的一端走到另一端，并界定了通过交叉路口的4个规范动作:1)过马路前要先在马路沿上等待;2)然后按照左－右－左的顺序观察车流情况;3)再在合适的时机快速通过人行横道;4)随时保持注意力集中，认真观察交通状况。研究人员通过虚拟现实系统来跟踪观察儿童们的交通行为并对他们打分，并通过对比儿童们在接受培训之前和接受培训之后的交通行为，借以评估虚拟现实培训的效果。结果证明，对于大多数的儿童来说，虚拟现实都成功的让他们掌握了正确的4个交通关键行为，而且对于来自乡村地区的移民儿童，这样的学习能够更好的应用于现实生活中。同时，Gordon Simpson也通过一个带数据头盔的单车道虚拟现实实验证明了虚拟现实技术对于提高儿童交通能力的作用［15］。得到类似结果的还有James Thomson［16］。

几乎所有的实验都证明了虚拟现实技术应用于交通安全教育领域的有效性，虚拟现实能够实现和使用者的人机交互，它能带给使用者第一人称的视野，它的真实性和沉浸感都让使用者身临其境，此外，虚拟现实技术现在已经可以实现让不同的用户之间进行协作学习，它的界面、风格、新鲜感等等都会给使用者带来学习的趣味性，增加使用者学习的动力;考虑到虚拟现实技术相比其他的交通安全教育方法，例如交通公园、“虚拟路”法等，可操作性更强(不需要组织成年人对儿童进行交通引导等)，而且成本更低;这一切充分表明，虚拟现实技术在未来的交通安全教育中必然有着广阔的发展前景。

3 前景展望

虚拟现实技术虽然已有40多年的发展历史，但之前由于设备的限制，将虚拟现实技术大规模付诸应用还是最近10年的事。可以说，虚拟现实技术还是一门新兴的技术，在拥有广阔发展前景的同时，也存在很多未被发现或克服的困难。

近年来，虚拟现实技术开始逐渐被大规模应用于医学手术模拟、驾驶模拟等方面，在这些方面虚拟现实技术的应用已经取得了一定的经验和成绩，但在行人交通安全模拟教育方面，虚拟现实技术的应用还处于尝试阶段:国外现有研究都只是将虚拟现实技术作为一种可以考虑的方法，应用于行人交通安全教育，进行了一些试验;而国内则根本还没有这方面的研究。虽然国外的类似试验已经取得了不少的成果，也基本证明了虚拟现实技术在行人交通安全教育培训方面的适用性，但毕竟还有很多地方没有探索到，很多问题也没有解决，比如，受限于现阶段的软硬件条件，大多数虚拟现实系统的沉浸感都不足，尤其是由数据头盔设备构建的虚拟环境，由于数据头盔本身的重量、它的导线以及它有夹角的视场等的影响，使用者的沉浸感也会受到影响，进一步地，这些因素会影响使用者对交通状况的判断从而得出错误的结论，影响培训的效果。而大屏幕虚拟环境虽然在这些方面胜过数据头盔，沉浸感也明显强于数据头盔虚拟环境，但由于资金的限制，实验室往往只能配备1－3个大屏幕和数台处理器，无法达到完全沉浸感的要求，远远不能与目前最先进的美国军方投资500万美元兴建的C6虚拟环境相比。此外，目前的虚拟环境中大都缺少真实交通环境中的干扰因素，如人群、天气、光线、声音等等，这也限制了虚拟环境的真实性，但如果增加这些干扰因素与使用者的人机互动，又会大大增加虚拟环境构建的困难程度和成本。最后，由于使用者知道虚拟环境中并不存在真正的危险，因此他们会在交通环境中采取更冒险、激进的行为，这一点与实际状况不符合，当然，这也帮助实验者更多的了解参与者容易犯的一些错误。

为了改进上述的虚拟环境中的不足，更多技术的应用和研究是必要的，比如近年来，LOD和粒子系统技术已经开始应用于虚拟环境的模拟，但这些还不够，要实现成熟的虚拟现实行人交通安全教育，还需要人们从各个方面去研究和开发，完善虚拟环境的真实感，加强虚拟现实的交互能力。随着社会经济水平的增加和计算机软硬件水平的增长，虚拟现实行人交通安全教育的价值会越发的凸显，也会有越来越多的计算机工作者投身到这个领域中来，而虚拟现实行人交通安全教育的大规模应用也不再遥远。

［1］袁雄军，张华.我国道路交通安全的现状及对策分析.交通与运输，2008:27-28.

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Summarization of Virtual Reality in Pedestrian Traffic Safety Education

Luo Yuan，Ren Aizhu

(Institute of Risk Prevention＆ Reduction in Tsinghua University，Beijing100084，China)

This paper discussed the significance and appropriation for Virtual Reality applying in traffic safety education for pedestrian and compared VR with multimedia technique.Then relevant researches all over the world were introduced and some disadvantages of VR now using in pedestrian traffic safety education were concluded.At the end the future trend of VR in this area is prospected.

Virtual Reality;Pedestrian;Appropriation;Immersion

TP391.9;X925

A

1674－7461(2011)01－0097－05

罗元，男，博士。E-mail:lyethu@gmail.com