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465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电现象。

Barlow,Blakemore和Pettigrew除发现两眼视网膜相应点具有双眼总和作用的神经元外,还发现了另一些能对两眼视网膜和邻近的非对应点的刺激(视差刺激)产生最大的双眼总合放电现象的神经元,他们假设这是双眼视差产生深度知觉的中枢机制[10]。

实际上,我们并不意识到自己是在用两只眼睛进行观察,空间的物体似由一只眼睛知觉到的,两只眼睛的共同活动实现了一个完整的感觉器官的功能,我们把这个假象的眼睛叫做中央眼(Cyclopean eye)。

这个中央眼负责知觉方向和距离,并对空间的物体进行定位。

中央眼的概念对于我们理解深度视觉的物理学原理和解释立体视觉生理机制大有裨益[5]。

通过生活经验的积累,人们在反映外界三维空间时形成了一个内部的视觉表象空间体系,人们按照这个内部表象体系的空间坐标来调节自己在环境中的活动,确定所知觉物体的空间方向并在心理上对物体的空间关系进行操作。

那么这个视觉表象体系的生理学机制如何呢?纽约大学的实验者(M ichel等,1993)用记录脑电的方法分析心理空间视觉的生理机制。

在被试积极从事类似Shepard的心理旋转作业,实验记录安装在被试顶叶和枕叶的磁记录和电记录的平均电位。

结果发现,在被试作业时,a波被阻断,且当被试搜寻最小的旋转角度去完成匹配时,阻断的时间也增长了。

这证明虽然没有视觉信号的直接刺激,视皮层仍然参与表象的信息加工过程[11]。

至于具体的视皮层是以怎样方式整合表象的空间信息的神经冲动还有待继续探讨。

影响空间认知的各种因素性别Daly(1994)在其报告中提到,按空间视觉能力高低(有空间能力测试量表获得)将男、女被试排队。

完成心理旋转作业后的实验结果表明,性别和技能水平上的差异是存在的,男被试的平均旋转速度快于女被试,空间视觉能力高的被试快于能力低的被试[12]。

个性因素Witkin(1977)发现,个性因素对视知觉的影响具有明显的个体差异,并因此提出了场依存性-独立性的认知方式理论[13]。

张厚粲等人(1981)认为,具有场依赖特征的人,善于从环境中提取信息,周围视觉参考物对于当前的知觉和图形后效有明显影响;场独立性强的人不受或少受视觉参照物的影响,知觉和图形后效更多地为直接刺激所决定[13]。

最近,施旺红(1992)的研究也发现,场依存性P独立性认知方式是视动性错觉个体差异性的一种重要影响因素,前者主要倾向于以外在场(视野线索)为参照,后者则更多地利用内在线索(自身平衡感觉)[14]。

睡眠Cian和Barravd(1992)的实验中,剥夺被试60小时睡眠,观察被试的心理表征和空间定向能力变化,结果心理表象活动随着睡眠量的减少而减慢,但记忆表象的操作无影响[15]。

身体姿势人在空间知觉中,主体只有先明确自己的状态,然后才能正确判断对象在空间的相对位置。

若身体处于不正常姿势时,知觉的正常经验系统受到破坏,知觉恒常性失去作用,视网膜的物理学规律便起更大的作用。

身体倾斜、俯仰和旋转都会影响到观察者的正确判断。

例如,彭瑞祥和林仲贤(1965)的实验研究发现[8]。

环境因素一个空间物体的识别除了主观因素的影响之外,环境及物体本身的特点也影响人们的判断。

如刺激物的大小、刺激物暴露时间、刺激物隐藏面多少、观察距离、周围参考物的亮度级差、视线分离方向(交叉与不交叉)等[16,17]。

空间认知研究在航空航天中的应用近20~30年来随着美国和欧洲航天计划的不断深入,国际空间科学领域的研究也广泛地开展起来。