腦電波解碼景觀舒適度：VR實(shí)驗(yàn)揭示自由與規(guī)則形態(tài)景觀的神經(jīng)響應(yīng)差異_abio生物試劑品牌網(wǎng)
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(chǔ)生理指標(biāo)，缺乏量化數(shù)據(jù)支持，且現(xiàn)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(rèn)知神經(jīng)機(jī)制探索不足。景觀形態(tài)研究以及運(yùn)用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行該研究十分必要，對城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)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(yàn)，而認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)能從生理層面揭示其中機(jī)制，為景觀設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
二、論文摘要
來自河北工程大學(xué)建筑與情感國際研究中心、中國建筑科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)利用EEG 和VR技術(shù)探索了景觀形態(tài)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)機(jī)制，并將相關(guān)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(bào)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(yīng)機(jī)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(guān)聯(lián)，為量化評估景觀舒適度提供了神經(jīng)科學(xué)依據(jù)。
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(dāng)人體處于放松、平靜且無壓力的清醒狀態(tài)時(shí)，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(guān)鍵指標(biāo)。
圖1 文章信息
三、研究設(shè)計(jì)與結(jié)果呈現(xiàn)
（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——研究團(tuán)隊(duì)采用雙模態(tài)數(shù)據(jù)采集方案
1.虛擬場景構(gòu)建
研究者使用SketchUp Pro 2023建模，結(jié)合MARS渲染軟件生成14,500?O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(shè)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(shù)
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(xiàng)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(guān)的問題，如“節(jié)奏感知”“秩序感”“自然度”為核心對比指標(biāo)。
4.數(shù)據(jù)采集
共30名健康大學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)（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(gè)電極數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)，實(shí)驗(yàn)全程在25℃、無噪音的封閉實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)被試在觀看兩種景觀時(shí)的α 波幅值大小。
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和腦電極分布
圖3 數(shù)據(jù)采集流程
（二）核心結(jié)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(xiàn)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(gè)電極表現(xiàn)出顯著更高的α波幅值（p<0.05），集中于。結(jié)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(fù)責(zé)情緒調(diào)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(jī)性”促進(jìn)放松；右頂葉主導(dǎo)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(gè)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(qiáng)視覺刺激直接相關(guān)；右顳葉（T8）涉及視覺信息整合，表明規(guī)則布局的可預(yù)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(shè)計(jì)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(rèn)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(diǎn)”布局的強(qiáng)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(shè)計(jì)密切相關(guān)。
（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(jié)構(gòu)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(dá)顯著水平。
圖5 15組主觀評價(jià)因素的平均得分和差異檢驗(yàn)結(jié)果
3.景觀特征與腦區(qū)的關(guān)聯(lián)性解析
為了探索主觀因素評分與腦電α波之間的關(guān)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(jìn)行了相關(guān)分析（結(jié)果見圖6）。主要結(jié)果有：
（1）節(jié)奏感知與枕葉O1和Oz電極α波呈正相關(guān)（見圖6），進(jìn)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(qiáng)節(jié)奏刺激對左右枕葉的非對稱影響——左側(cè)枕葉可能更敏感于規(guī)律性視覺輸入，右側(cè)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(fù)相關(guān)（見圖6），與右顳葉T8電極負(fù)相關(guān)，然而在這兩個(gè)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(guān)系（見圖7 右），表明自然元素可能通過激活左側(cè)情緒調(diào)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(cè)視覺整合區(qū)域，導(dǎo)致局部疲勞。
圖6 主觀因素得分與腦電圖α波值相關(guān)。
注：*：p ≤ 0.05
圖7 設(shè)計(jì) D1 和 D2 中電極的 α 值與主觀因素得分的比較
四、結(jié)論與討論
（一）研究結(jié)論與科學(xué)價(jià)值
該研究在基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(shù)揭示了景觀布局對腦區(qū)活動(dòng)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(diào)節(jié)+空間感知）實(shí)現(xiàn)廣泛的生理舒適，與Roger Ulrich（1981）“自然景觀促進(jìn)壓力恢復(fù)”的經(jīng)典結(jié)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(yīng)，補(bǔ)充了Linhong Wang（2016）關(guān)于“高對比度景觀刺激腦波α值”的發(fā)現(xiàn)。主觀問卷與生理數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證，構(gòu)建了“景觀特征—腦區(qū)響應(yīng)—舒適體驗(yàn)”的三層關(guān)聯(lián)模型，為量化評估提供了跨學(xué)科框架。
（二）研究局限與展望
盡管本研究通過EEG與VR技術(shù)揭示了景觀形態(tài)對腦區(qū)活動(dòng)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(xué)生為主，可能限制結(jié)論的普適性，未來需擴(kuò)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(shí)驗(yàn)控制力，但與真實(shí)環(huán)境的感官反饋（如觸覺、嗅覺）存在差異，后續(xù)可結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)增強(qiáng)生態(tài)效度；此外，研究主要聚焦α波指標(biāo)，未整合其他生理參數(shù)（如心率變異性、皮電反應(yīng)），多模態(tài)數(shù)據(jù)融合將更全面解析景觀感知機(jī)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.
https://doi.org/10.3390/app14020933.
作者及研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究由河北工程大學(xué)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(tuán)隊(duì)與中國建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(huì)（NRF）的資助（項(xiàng)目編號：RS-2023-00239818），實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)河北工程大學(xué)倫理委員會(huì)審批（協(xié)議代碼：BER-YXY-2023031）。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
二、論文摘要
來自河北工程大學(xué)建筑與情感國際研究中心、中國建筑科學(xué)研究院的研究團(tuán)隊(duì)利用EEG 和VR技術(shù)探索了景觀形態(tài)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)機(jī)制，并將相關(guān)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(bào)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(yīng)機(jī)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(guān)聯(lián)，為量化評估景觀舒適度提供了神經(jīng)科學(xué)依據(jù)。
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(dāng)人體處于放松、平靜且無壓力的清醒狀態(tài)時(shí)，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(guān)鍵指標(biāo)。
圖1 文章信息
三、研究設(shè)計(jì)與結(jié)果呈現(xiàn)
（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——研究團(tuán)隊(duì)采用雙模態(tài)數(shù)據(jù)采集方案
1.虛擬場景構(gòu)建
研究者使用SketchUp Pro 2023建模，結(jié)合MARS渲染軟件生成14,500?O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(shè)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(shù)
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(xiàng)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(guān)的問題，如“節(jié)奏感知”“秩序感”“自然度”為核心對比指標(biāo)。
4.數(shù)據(jù)采集
共30名健康大學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)（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(gè)電極數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)，實(shí)驗(yàn)全程在25℃、無噪音的封閉實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)被試在觀看兩種景觀時(shí)的α 波幅值大小。
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和腦電極分布
圖3 數(shù)據(jù)采集流程
（二）核心結(jié)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(xiàn)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(gè)電極表現(xiàn)出顯著更高的α波幅值（p<0.05），集中于。結(jié)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(fù)責(zé)情緒調(diào)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(jī)性”促進(jìn)放松；右頂葉主導(dǎo)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(gè)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(qiáng)視覺刺激直接相關(guān)；右顳葉（T8）涉及視覺信息整合，表明規(guī)則布局的可預(yù)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(shè)計(jì)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(rèn)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(diǎn)”布局的強(qiáng)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(shè)計(jì)密切相關(guān)。
（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(jié)構(gòu)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(dá)顯著水平。
圖5 15組主觀評價(jià)因素的平均得分和差異檢驗(yàn)結(jié)果
3.景觀特征與腦區(qū)的關(guān)聯(lián)性解析
為了探索主觀因素評分與腦電α波之間的關(guān)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(jìn)行了相關(guān)分析（結(jié)果見圖6）。主要結(jié)果有：
（1）節(jié)奏感知與枕葉O1和Oz電極α波呈正相關(guān)（見圖6），進(jìn)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(qiáng)節(jié)奏刺激對左右枕葉的非對稱影響——左側(cè)枕葉可能更敏感于規(guī)律性視覺輸入，右側(cè)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(fù)相關(guān)（見圖6），與右顳葉T8電極負(fù)相關(guān)，然而在這兩個(gè)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(guān)系（見圖7 右），表明自然元素可能通過激活左側(cè)情緒調(diào)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(cè)視覺整合區(qū)域，導(dǎo)致局部疲勞。
圖6 主觀因素得分與腦電圖α波值相關(guān)。注：*：p ≤ 0.05
圖7 設(shè)計(jì) D1 和 D2 中電極的 α 值與主觀因素得分的比較
四、結(jié)論與討論
（一）研究結(jié)論與科學(xué)價(jià)值
該研究在基于虛擬現(xiàn)實(shí)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(shù)揭示了景觀布局對腦區(qū)活動(dòng)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(diào)節(jié)+空間感知）實(shí)現(xiàn)廣泛的生理舒適，與Roger Ulrich（1981）“自然景觀促進(jìn)壓力恢復(fù)”的經(jīng)典結(jié)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(yīng)，補(bǔ)充了Linhong Wang（2016）關(guān)于“高對比度景觀刺激腦波α值”的發(fā)現(xiàn)。主觀問卷與生理數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證，構(gòu)建了“景觀特征—腦區(qū)響應(yīng)—舒適體驗(yàn)”的三層關(guān)聯(lián)模型，為量化評估提供了跨學(xué)科框架。
（二）研究局限與展望
盡管本研究通過EEG與VR技術(shù)揭示了景觀形態(tài)對腦區(qū)活動(dòng)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(xué)生為主，可能限制結(jié)論的普適性，未來需擴(kuò)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(shí)驗(yàn)控制力，但與真實(shí)環(huán)境的感官反饋（如觸覺、嗅覺）存在差異，后續(xù)可結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)增強(qiáng)生態(tài)效度；此外，研究主要聚焦α波指標(biāo)，未整合其他生理參數(shù)（如心率變異性、皮電反應(yīng)），多模態(tài)數(shù)據(jù)融合將更全面解析景觀感知機(jī)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.
https://doi.org/10.3390/app14020933.
作者及研究團(tuán)隊(duì)介紹
本研究由河北工程大學(xué)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(tuán)隊(duì)與中國建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(huì)（NRF）的資助（項(xiàng)目編號：RS-2023-00239818），實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)河北工程大學(xué)倫理委員會(huì)審批（協(xié)議代碼：BER-YXY-2023031）。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
