"多感官环境中的触觉/触觉感知心理物理学研究"

心理物理学

穿戴设备

PDF格式 | 2.44MB | 更新于2025-01-16 | 39 浏览量 | 举报

引文：雷晓，张廷伟，陈坤，张珏，田悦，方芳，陈丽涵。多感官环境中可穿戴触觉

触觉感知的心理物理学。虚拟现

实智能硬件，

2019

，

（

）：

185-200

DOI

：

10.3724/SP.J.2096-5796.2018.0012

虚拟现实与智能硬件

·文章·

2019

年第

卷第

期

多感官环境

肖磊

，张廷伟

，陈坤

，张珏

3，4

，田跃

，方芳

1，2，5，6*

，陈丽涵

1，2*

北京大学心理与认知科学学院、行为与心理健康北京市重点实验室

邮编

：100871

北京大学机器感知教育部重点实验室，北京

100871

北京大学跨学科高级研究院，北京

100871

北京大学工学院，北京

100871

北京大学清华

北京生命科学中心，北京

100871

北京大学麦戈文脑科学研究所，北京

100871

通讯作者陈丽涵（

clh@pku.edu.cn

）

;

方芳（

ffang@pku.edu.cn

）

投稿时间：

2018

年

月

日受理时间：

2019

年

月

日

国家自然科学基金资助项目（

NSFC 61527804

）

;

国家自然科学基金资助项目（

NSFC 61621136008/DFG TRR-169

）

;

德国研究基金资助项目（

DFG TRR-169

）。

摘要

多感官实验室位于北京大学，开展了多感官的基础研究空间和时间处理、感觉间结合和触

觉/触觉感知。我们利用了一个典型的多感觉错觉-时间口技效应的范例，并将其应用于广泛的多感

觉交互（主要集中在时间处理）。在这项工作中，我们总结了如何利用触觉刺激组成触觉线索和触

觉明显的运动与其他感官刺激（视觉和听觉刺激）的接口，以检查在多感官背景下的潜在知觉组

织。此外，我们还介绍了两个可穿戴触觉/触觉感知的例子，在我们的实验室，通过使用两个定制的

触觉设备，并讨论了在这一领域的潜在应用。

关键词

多感官;腹语效应;可穿戴触觉;知觉组织

介绍

1.1

时间腹语与知觉组织

在多感觉世界中，跨通道事件之间的空间定位扭曲和时间错觉等知觉错觉不是例外，而是规律。在

日常生活中，我们从不同的感官通道接收信号。我们的大脑建立了一个连贯的表示来区分

来自同一

个对象的信号和最初是分段的信号

[1]

。知觉

组织是将复杂的感觉信息转换为连贯的单位，从而使我

们能够在环境中识别物体的过程

[2，3]

。我是第一个由一位著名的心理学家向你求婚的。

www.vr-ih.com

北京中科学报出版有限公司公司制作和主办：

Elsevier B.V.

代表

KeAi

。这是一篇基于

CC BY-NC-ND

许可证（

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/

）的开放获取文章

虚拟现实与

智能硬件

2019

年第

卷第

期

提出知觉组织由两部分组成：分组和分离

。许多因素影响了我们组织信息的能力，例如时间

10]

，空间

[11

，

12]

和特征关系

[13]

。在时间腹语效应中，当所有事件都在假定的时间窗口内时，目标事件

视觉事件（具有较低的时间分辨率）的感知时间开始

时间间隔通常会因干扰物

听觉刺激或触觉事

件（具有较高的时间分辨率）的存在而发生偏差

[14]

。通过利用时间口技效应，我们已经实施了经验

心理物理学研究，以表明视觉明显运动的模糊感知可以通过精心设计的听觉输入

[15

18]

和触觉输入

[19

，

20]

来解决。在远程呈现，我们表明，同步感知的跨模态（视觉触觉）事件是非常敏感的视觉丢包

率。数据包丢失造成了时间延迟的印象，并影响了后续事件的感知。感知时间也受到通信延迟的影

响，这导致时间被略微高估

[21]

。

有了这些证据，我们已经证明了基本的感知（时间）组织原则，在确定跨通道交互的结果（潜在

的感知偏差）。通常，采用跨模态表观运动（由感知分组调制）的范例

[13

，

22]

。例如，我们通过使用

长距离触觉表观运动证明了听觉捕获对触觉表观运动的影响，其中我们在两个中指上呈现并交替两

个触觉刺激，并将成对的听觉蜂鸣声与敲击对齐。一个蜂鸣声总是与一个敲击同步给出，但另一个

蜂鸣声可以在

75 ms

的

SOA

（刺激起始时间）中超前或滞后另一个敲击的存在。这两个

SOA

被发

现产生相反的调制明显的运动，导致主导方向知觉（方向或方向运动）。这种调制效应表明跨模态

分组的影响。此外，当只有奇数而不是偶数的敲击与听觉蜂鸣声配对时，这种配置消除了时间捕获

效应，相反，观察到从听触侧到仅敲击侧的明显运动的主导感知与

SOA

变化无关（图

）。这些发

现表明，不对称的跨通道分组导致对表观运动的注意调制，这抑制了跨通道时间捕获效应

[23]

。

1.2

触觉错觉

触觉

触觉感知的研究是具有挑战性的，与其他感官通道，包括视觉和听觉模态的心理物理学研究相

比。与视觉和听觉通道相比，触觉领域的错觉要少得多。事实上，在日常生活中，我们接触到的触

觉错觉很少

[24]

。

最近的研究集中在我们通过触觉界面感知虚拟环境或现实世界的错觉

上

[25

，

26]

。一个突出的原因是设

计合适的设备

刺激，以适应和满足研究目的的复杂性，通过施加刺激到人体的不同表面（如手指，

面部和躯干

躯干），在这个方向上，刺激的顺应性是至关重要的，并且适当的刺激的呈现在很大程

度上受到传统触觉设备的材料和工作介质的限制。随着虚拟现实技术的蓬勃发展以及与神经成像记

录的结合

[27]

，与无磁环境兼容的触觉设备几乎不可用。另一方面，触觉通道中出现了更为复杂有趣

的错觉现象，因此，对触觉通道中错觉的神经认知机制的研究对学术界提出了挑战。在这些错觉

中，有三个是引人注目的，受到了广泛的关注。

有趣

的错觉，描述了一种在多重刺激之间的幻觉

186

Xiao LEI et al：Psychophysics of wearable haptic/tactile perception in a multisensory context

图

听触事件的实验设置和时间配置。

(a)

实验装置的图示

;

（

）异步和同步的听觉触觉刺激对在

秒的听觉触觉流

中交替。触觉刺激之间的

SOA

始终为

400 ms

。异步听觉触觉刺激对（

SOAAT

）之间的

SOA

在试验中从

275 ms

到

不等

;

正值意味着听觉蜂鸣声滞后于相应的触觉敲击。虚线椭圆表示单峰听觉分组，虚线矩形表示交叉模态听觉

触觉分组

;

（

）相对于条件（

），奇数哔哔声在时间上向偶数触觉敲击移位。奇数听觉触觉

SOAAT

设置为

325 ms;

（

）听觉蜂鸣声仅与来自初始侧（左侧或右侧）的敲击配对。在所有试验中，听触

SOAAT

从

75 ms

到

275 ms

不等。

图改编自

Chen

等人（

Plos ONE

，

2011

）

[23]

。

当它们同时出现在人体皮肤上的相邻位置

时

[28

，

29]

。在这种情况下，振动触觉刺激的空间位移可以用于

信息显示。通过在心理物理学实验中利用

“

滑稽错觉

”

，已经揭示了人类前臂对静止和移动振动触觉

刺激的空间感知能力

[28

30]

。在

皮肤兔子

效应中也发现了触摸的错误定位，这是在普林斯顿大学的皮

肤通信实验室首次发现的，当时

Frank Geldard

和他的同事正在测试皮肤感知

[31

，

32]

。详细地说，皮肤

兔子错觉（也称为皮肤跳跃，有时也称为皮肤兔子效应或

CRE

）是一种通过快速连续地敲击皮肤的

两个或更多个单独区域而引起的触觉错觉。这种错觉最容易在空间敏锐度相对较差的身体表面区域

（如前臂）诱发。首先在手腕附近然后在肘部附近递送的快速敲击序列产生从手腕向肘部向上跳跃

手臂的顺序敲击的感觉，尽管在两个实际刺激位置之间没有施加物理刺激。贝叶斯建模工作表明，

较弱的刺激会导致更大的跳跃

[33]

，但这种错觉的直接神经机制尚不清楚

[34]

。最后一个也是重要的例

子是触觉领域中的

闪光滞后

效应。在一项心理物理学研究中，

Chen

报告了一种类似的触觉闪光滞后

错觉，与视觉闪光滞后效应相比

[35

，

36]

，其中一个手指上呈现一系列强度增加（或减少）的触觉敲

击。在这两种情况下，序列中的时间中间轻敲被认为比另一个手指上的同步单次轻敲更弱。这种错

觉可以通过时间补偿和触觉掩蔽的机制来解释

[37]

。

1.3 触觉事件的空间、方向和数量感知

关于触觉

触觉空间感知和数字感知的基本心理物理学研究已在以前的研究中实施

[38

，

39]

。一般来说，

触觉事件的方向和位置的感知

187

虚拟现实与

智能硬件

2019

年第

卷第

期

手指上的注意力转移的作用调制

[40

，

41]

。在最近的一项研究中，我们揭示了注意力转移和注意力重新

参与在解决触觉西蒙类任务中的空间兼容性效应中的作用

[42]

。西蒙效应是指当目标位置和反应位置

一致时，与目标位置和反应位置不一致时相比，即使目标位置与任务无关，选择反应也会加速。对

于触觉方向任务，空间相容性效应在集中注意条件下不存在，但在分散注意条件下保持不变（图

）。对于触觉定位任务，这种模式是相反的。我们建议，解决注意力转移过程中的空间代码之间

的冲突的时间过程，包括注意力重新投入可以解释我们观察到的触觉西蒙效应。

图

类西蒙触觉方向兼容性效应示意图。椭圆形点表示产生触觉敲击的潜在位置。对于每个试验，只有两个点击发

生在一只手上，除了分开注意条件（

，

），其中前两个点击（标记为红点）同时发生在两只手上。任务是报告触

觉明显运动的方向（向左或向右）。四个子图说明了四个子条件。

(a)

固定

：集中注意力的触觉轻拍

触觉运动方

向是从中指到食指

;

（

）

固定：分散注意力的触觉轻拍

;

触觉运动方向是从中指到食指（运动流出现在左手或右

手），但前两次同时轻击发生在两个中指

;

（

）

随机：轻拍随机分布在每只手的手指上（拇指除外）

;

（

）

随机：分散注意力的触觉轻拍和随机轻拍。运动流中的两个轻击随机分布在每只手的手指上（拇指除外）

;

然而，前

两个同时轻击出现在左中指

右食指或左食指

右中指上。矩形内的触觉事件指示（手的）运动方向和空间的一致映

射。图经许可改编自

Zheng Chen

（

Scientific Reports

，

2018

）

[42]

。

在最近的一项研究中，我们问是否相同的注意机制

subserves subitizing

（项目数小于或等于

）和

numerosity

估计（项目数等于或大于

）的触觉模态。使用触觉盲文显示器，参与者通过报告他们左

手食指上下区域的针的数量，以及报告他们右手食指上的触觉针的数量，和跨通道任务与分散注意

力的报告触觉针的数量，并比较了数量的视觉点的上部和下部的一个（虚幻）矩形覆盖触觉刺激

（图

）。重要的是，在视觉上存在的情况下，

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