手機版
化工儀器網手機版
化工儀器網小程序
官方微信
公眾號：chem17
掃碼關注視頻號
腦電波解碼景觀舒適度：VR實驗揭示自由與規(guī)則形態(tài)景觀的神經響應差異
腦電波解碼景觀舒適度：VR實驗揭示自由與規(guī)則形態(tài)景觀的神經響應差異
腦電波解碼景觀舒適度
VR實驗揭示自由與規(guī)則形態(tài)景觀的神經響應差異
一、背景介紹
城市公園景觀通過提供休閑空間顯著影響居民身心健康，但其舒適度評估長期依賴主觀問卷與基礎生理指標,，缺乏量化數據支持，且現有研究多基于靜態(tài)圖片或單一感官刺激,，對景觀布局特征（如節(jié)奏感,、封閉性）的認知神經機制探索不足,。景觀形態(tài)研究以及運用認知神經科學進行該研究十分必要,，對城市規(guī)劃、景觀設計及人類福祉意義重大,。景觀形態(tài)影響人們的舒適度和體驗，而認知神經科學能從生理層面揭示其中機制,，為景觀設計提供科學依據,。
二,、論文摘要
來自河北工程大學建筑與情感國際研究中心,、中國建筑科學研究院的研究團隊利用EEG 和VR技術探索了景觀形態(tài)的認知神經科學機制,，并將相關研究成果發(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”,，報告了自由形態(tài)景觀和規(guī)則形態(tài)景觀通過激活不同腦區(qū)的α波注1引發(fā)舒適感,，揭示了大腦對不同景觀的反應機制，尤其是景觀自然度,、節(jié)奏性等特征與特定腦區(qū)α波值呈線性關聯(lián),，為量化評估景觀舒適度提供了神經科學依據。
注1：α波（Alpha Wave）是人類腦電波的一種,，頻率范圍在 8 - 13Hz 之間,。當人體處于放松,、平靜且無壓力的清醒狀態(tài)時，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)的關鍵指標,。
圖1 文章信息
三,、研究設計與結果呈現
（一）實驗設計——研究團隊采用雙模態(tài)數據采集方案
1.虛擬場景構建
研究者使用SketchUp Pro 2023建模，結合MARS渲染軟件生成14,500㎡虛擬景觀,，其中自由形態(tài)景觀（D1,，見表1）以“無軸線+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，見表2）設東西向主軸線,，幾何化空間通過直線步道連接,，植被修剪為球形/柱形，葉色明亮（RGB 180-220）,。
2.視頻參數
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,，以確保場景沉浸感。
3.主觀問卷
采用15項李克特量表（-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、依賴感）,，其中以與身體感覺相關的問題,，如“節(jié)奏感知”“秩序感”“自然度”為核心對比指標。
4.數據采集
共30名健康大學生參與實驗（見圖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個電極數據進一步做分析（見圖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,，實驗全程在25℃,、無噪音的封閉實驗室進行。實驗數據采集流程見圖3,。
研究者主要分析了腦電信號的α 波,，并比較了每個被試在觀看兩種景觀時的α 波幅值大小,。
圖2 實驗設備和腦電極分布
圖3 數據采集流程
（二）核心結果解讀
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個電極表現出顯著更高的α波幅值（p<0.05）,，集中于,。結果表明，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。左顳葉負責情緒調節(jié)與視覺記憶處理,，其激活提示自然景觀通過“非規(guī)則路徑+植被隨機性”促進放松,；右頂葉主導空間定位，反映自由形態(tài)景觀的“探索性”對空間感知腦區(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”強視覺刺激直接相關,；右顳葉（T8）涉及視覺信息整合,，表明規(guī)則布局的可預測性可能通過簡化視覺處理提升局部舒適度。
圖4 兩組景觀設計方案中各腦區(qū)電極差值（p 值）與各腦區(qū)電極 α 值的比較
2.主觀認知差異的量化對比
（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+對稱節(jié)點”布局的強規(guī)律性,；自由景觀的自然度和隱蔽性評分突出，與其“曲徑+植被遮擋”設計密切相關,。
（2）心理情感反饋
規(guī)則景觀的安全感和依賴感得分更高（見圖5）,，可能源于清晰的空間結構降低了環(huán)境不確定性；自由景觀在愉悅感上略優(yōu),，但未達顯著水平,。
圖5 15組主觀評價因素的平均得分和差異檢驗結果
3.景觀特征與腦區(qū)的關聯(lián)性解析
為了探索主觀因素評分與腦電α波之間的關系，研究者選取了18組電極上對兩種景觀的α波幅值差異（αD1–αD2）,，與主觀因素評分差異（SD1–SD2）進行了相關分析（結果見圖6）,。主要結果有：
（1）節(jié)奏感知與枕葉O1和Oz電極α波呈正相關（見圖6），進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)奏感評分的均值 （見圖7左）,，提示強節(jié)奏刺激對左右枕葉的非對稱影響——左側枕葉可能更敏感于規(guī)律性視覺輸入,，右側枕葉則在自然無規(guī)律場景中更活躍。
（2）自然度與左顳葉T7和右顳葉T8電極α波呈顯著負相關（見圖6）,，與右顳葉T8電極負相關,，然而在這兩個電極上兩種景觀誘發(fā)的α波幅值和自然度評分均值呈相反的關系（見圖7 右）,，表明自然元素可能通過激活左側情緒調節(jié)腦區(qū)提升舒適感，而規(guī)則景觀的人工特征可能過度刺激右側視覺整合區(qū)域,，導致局部疲勞,。
圖6 主觀因素得分與腦電圖α波值相關。
注：*：p ≤ 0.05
圖7 設計 D1 和 D2 中電極的 α 值與主觀因素得分的比較
四,、結論與討論
（一）研究結論與科學價值
該研究在基于虛擬現實的自由形態(tài)與規(guī)則形態(tài)景觀研究中,，創(chuàng)新性地借助EEG技術揭示了景觀布局對腦區(qū)活動的差異化影響：自由形態(tài)景觀的“去規(guī)則化”特征通過多腦區(qū)協(xié)同激活（情緒調節(jié)+空間感知）實現廣泛的生理舒適，與Roger Ulrich（1981）“自然景觀促進壓力恢復”的經典結論一致,；而規(guī)則形態(tài)景觀的“幾何秩序”依賴視覺皮層（枕葉）的高效處理引發(fā)局部舒適響應,，補充了Linhong Wang（2016）關于“高對比度景觀刺激腦波α值”的發(fā)現。主觀問卷與生理數據的交叉驗證,，構建了“景觀特征—腦區(qū)響應—舒適體驗”的三層關聯(lián)模型,，為量化評估提供了跨學科框架。
（二）研究局限與展望
盡管本研究通過EEG與VR技術揭示了景觀形態(tài)對腦區(qū)活動的差異化影響,，但仍存在以下局限：首先,，樣本量較小（n=30）且參與者群體以學生為主,，可能限制結論的普適性,，未來需擴大樣本覆蓋不同年齡、職業(yè)及文化背景人群,；其次,，VR模擬雖提升了實驗控制力，但與真實環(huán)境的感官反饋（如觸覺,、嗅覺）存在差異,，后續(xù)可結合混合現實（MR）技術增強生態(tài)效度；此外,，研究主要聚焦α波指標,，未整合其他生理參數（如心率變異性、皮電反應）,，多模態(tài)數據融合將更全面解析景觀感知機制,。
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.
作者及研究團隊介紹
本研究由河北工程大學建筑與情感國際研究中心（International Research Center of Architecture and Emotion, Hebei University of Engineering）的Hongguo Ren、Jing Zhang,、Yujun Wang團隊與中國建筑科學研究院建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室（State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment, China Academy of Building Research）的Ziming Zheng,、Qingqin Wang合作完成。研究得到韓國國家研究基金會（NRF）的資助（項目編號：RS-2023-00239818）,，實驗方案經河北工程大學倫理委員會審批（協(xié)議代碼：BER-YXY-2023031）,。
關于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學,、康復工程,、人因工程,、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商,。公司與國內外多所大學,、研究機構、企業(yè)長期保持合作關系,，致力于將優(yōu)質的產品,、技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務,，協(xié)助用戶的科研工作,，持續(xù)提升使用體驗。
相關產品
Advictor
了解更多產品詳情,，投稿發(fā)布
與合作，歡迎掃碼咨詢,。
相關產品
免責聲明
- 凡本網注明“來源：化工儀器網”的所有作品,，均為浙江興旺寶明通網絡有限公司-化工儀器網合法擁有版權或有權使用的作品，未經本網授權不得轉載,、摘編或利用其它方式使用上述作品,。已經本網授權使用作品的，應在授權范圍內使用,，并注明“來源：化工儀器網”,。違反上述聲明者，本網將追究其相關法律責任,。
- 本網轉載并注明自其他來源（非化工儀器網）的作品,，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責,，不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任,。其他媒體、網站或個人從本網轉載時,，必須保留本網注明的作品第一來源,，并自負版權等法律責任,。
- 如涉及作品內容、版權等問題,，請在作品發(fā)表之日起一周內與本網聯(lián)系,，否則視為放棄相關權利。
采購中心