基于眼动和生理传感数据的

虚拟历史街道空间感知研究

Research on Spatial Perception in Virtual Historical Streets Based on Eye-Tracking and Physiological Sensing Data

1 厦门大学建筑与土木工程学院

2 同济大学建筑与城市规划学院

3 厦门建筑遗产保护智能技术应用综合重点实验室
4 福建省社会科学研究基地厦门大学鼓浪屿研究中心

引言

随着中国城镇化进程的推进，城市规划已从传统的规模扩张转向质量提升。历史街道的建成环境不仅是影响游客步行行为的重要因素，也是传递地方历史记忆和文化特征的关键载体，对遗产保护和旅游发展具有重要意义。

文献综述

总体而言，国内外围绕历史街道的物理环境重现展开研究，通过虚拟现实、眼动实验等方法探索人本尺度的空间感知和行为模式，为未来深化历史街道的保护与优化设计提供了技术和理论基础。本研究依托环境行为学理论和街道设计质量5个维度，提出一种基于虚拟地理环境的历史街道空间感知研究路径，并创新性地将眼动追踪技术与虚拟现实相结合，以精确捕捉游客的视觉关注点。研究旨在探索游客在历史街道中的空间感知，进而为历史街道空间优化提供针对性建议。

研究方法

研究提出“物理－生理－心理”历史街道空间感知研究路径。

历史街道空间感知研究路径 © 郭晶，李渊

综合《鼓浪屿历史文化街区保护规划》、前期实地调研结果及相关既有研究，选择了一条最大化串联鼓浪屿核心遗产建筑要素，并包含交通型、商住型、生活型和综合型四种类型街道的研究路线（表1），路线总长度约3.5km，正常步行速度下虚拟漫游时长为20～30分钟。

研究路线（基于厦门市自然资源和规划局标准地图服务网站厦S〔2022〕05号标准地图制作） © 郭晶，李渊

通过网络和线下招募，共有41名厦门大学学生参与本研究的眼动和生理传感实验，其中女性占73.2%，男性占26.8%。在对虚拟场景真实性还原度的评价调查中，受试者平均评分为4.09（满分5），即虚拟地理环境能较大程度还原鼓浪屿历史街道的真实游览体验。

41名受试者实验截图 © 郭晶，李渊

受试者对虚拟场景真实性还原度评价调查示例。

该调查的评分标准为1分（最低）至5分（最高） © 郭晶，李渊

实验采用Gazepoint GP3设备同步采集受试者的眼动和生理传感数据。

第一步，基于UE 4游戏引擎搭建三维虚拟地理环境，受试者签署知情同意书和进行眼动校正后，在研究路线中进行虚拟漫游，并在结束后填写空间感知调查问卷。

第二步，参考以视频和虚拟漫游场景作为刺激材料的相关研究，以10s为单位，对眼动和生理传感数据进行切片分析，记录空间坐标变化，同时标注对应的眼动热区和生理指标变化。

第三步，对实验路线进行分段处理，并利用SuperMap软件的三维GIS分析功能对历史街区的物理环境进行详细分析。此外，采用ADE20K数据集进行每段街道视野范围的机器学习要素语义分割。

第四步，基于第二步的切片数据，对生理传感数据进行进一步统计，以每10s为一个时间窗口，对窗口内的数据进行平均值计算，以平滑极端值所带来的波动，确保分析结果的准确性和可靠性。

第五步，将上述各项数据基于统一的空间坐标集成于GIS平台，共获得8 375个空间坐标点及其对应的眼动和生理传感数据、每段街道的空间指标数据层，以及受访者的感知问卷数据。

物理层面指标

综合前人的研究、鼓浪屿的历史街道空间特征和计算可操作性，研究基于意象性、围合度、人的尺度、透明性和复杂度5个街道设计质量维度，选取了15个历史街道空间要素描述指标（表2）。

生理层面指标

参考既有研究，本研究选择以下生理层面指标来识别受试者对历史街道空间要素的注意力分布和情绪刺激反应，包括：1）注视点持续时间；2）瞳孔直径；3）皮电；4）心率和心率变异性。

心理层面指标

基于前人的研究，本研究采用调查问卷的方式来获取街道空间体验的心理感知数据。

空间感知调查问卷示例 © 郭晶，李渊

空间热力分析

本研究采用Getis-Ord Gi*方法来分析眼动关注要素和生理传感数据是否存在显著的空间集聚。

离散选择模型

本研究认为，影响受试者视觉关注选择的时空因素十分复杂，因此采用离散选择模型来分析受试者的生理反馈对视觉选择行为的影响。