增强现实地图载体的空间认知负荷特征研究

2.1 AR地图载体类型划分

增强现实地图的载体是影响空间信息表达的重要组成部分，根据数字地图场景和载体之间的时空、比例、尺度、语义等上下文关联特性，载体类型可分为两大类：

1. 数字地图场景和载体两者之间存在上下文关联的载体，这类载体主要包括地理实体空间载体和模型实体空间载体；
2. 数字地图场景和载体两者之间无关联的载体，本文将这类载体定义为"虚位空间"载体。

另外，从AR地图使用行为方式看，地理实体空间载体类型，是属于现场"亲历行为"模式，模型实体空间载体与虚位空间载体类型是属于"阅读行为"模式。

图1 增强现实地图载体类型

2.2 不同载体AR地图认知环境特点

在增强现实地图中，不同类型的载体构成了不同的认知环境，影响着用户的空间认知过程和效果。地理实体空间载体提供了最为直接的空间参照，用户可以将虚拟地图信息与真实环境直接对应；模型实体空间载体则提供了比例尺缩放的空间表达，便于用户从宏观角度理解空间关系；而虚位空间载体虽然与实际环境无关联，但具有更大的灵活性，可以在任何场景下展示任意地理区域的地图信息。

3.1 实验设备与材料

本研究采用Microsoft HoloLens混合现实眼镜作为增强现实显示设备，该设备具有双目立体显示功能，可以实现沉浸式的虚实融合体验。同时，采用Emotiv EPOC+脑电图设备记录实验过程中受试者的脑电活动数据，该设备具有14个脑电极通道，可以全面监测大脑不同区域的活动情况。

实验中使用的三种不同载体分别为：

• 二维纸质地形晕渲图：采用传统纸质地图作为载体，上面印有地形晕渲效果，提供基本的地形信息。
• 三维打印地形实体模型：使用3D打印技术制作的立体地形模型，具有真实的高程起伏效果。
• 桌面虚位空间：不使用任何实体载体，直接在桌面空间中显示虚拟地图场景。

图2 三种不同的AR地图载体

3.2 实验任务设计

本研究设计了两类空间认知任务，分别是目标搜索任务和路径规划任务，这两类任务代表了地图使用中的基本认知活动。

3.3 实验流程

4.1 认知负荷指数分析

通过对三种不同载体AR地图在目标搜索和路径规划任务中的脑电数据分析，得到了各种条件下的认知负荷指数（CLI）。CLI值越高，表示认知负荷越大。

从表1可以看出，在两种任务类型中，三维实体模型载体AR地图的认知负荷指数均显著低于其他两种载体。具体来说：

• 在目标搜索任务中，三维实体模型载体的CLI为2.53，明显低于二维纸质地图载体（3.42）和虚位空间载体（3.68）。
• 在路径规划任务中，三维实体模型载体的CLI为4.84，同样低于二维纸质地图载体（6.78）和虚位空间载体（7.25）。
• 二维纸质地图载体的CLI略低于虚位空间载体，但两者之间的差异并不显著。

这一结果表明，三维实体模型载体AR地图在认知负荷方面具有明显优势，能够为用户提供更加直观、易于理解的空间信息表达方式。

4.2 任务难度对认知负荷的影响

为了进一步研究不同载体AR地图在面对不同难度任务时的认知特征，我们对简单和复杂两个难度级别下的CLI进行了对比分析。

研究结果显示，随着任务难度的提升，不同载体AR地图的认知负荷变化存在显著差异：

• 二维纸质地图载体：从简单任务到复杂任务，CLI增加了98.2%，表明任务难度对认知负荷的影响较大。
• 三维实体模型载体：从简单任务到复杂任务，CLI仅增加了91.3%，且增加幅度显著小于其他两种载体。
• 虚位空间载体：从简单任务到复杂任务，CLI增加了97.0%，表明任务难度对认知负荷的影响最为显著。

这一结果表明，三维实体模型载体AR地图在面对复杂空间认知任务时，具有更好的认知效率和更低的认知负荷增长率，这对于需要进行复杂空间分析和决策的应用场景具有重要意义。

4.3 脑区活动特征分析

通过对不同脑区在AR地图认知过程中的活动强度分析，可以进一步了解不同载体AR地图的认知机制差异。

研究结果显示，不同载体AR地图在脑区活动特征上存在显著差异：

• 额叶区域：与工作记忆和执行功能相关，在虚位空间载体条件下活动最为强烈，表明需要更多的认知资源进行信息处理和决策。
• 顶叶区域：与空间注意和空间定位相关，在三种载体条件下均有显著活动，但三维实体模型载体条件下活动强度相对较低。
• 枕叶区域：与视觉处理相关，在二维纸质地图载体和虚位空间载体条件下活动强度较高，表明需要更多的视觉处理资源。
• 颞叶区域：与空间记忆相关，在三维实体模型载体条件下活动强度适中，表明空间信息处理更为高效。

这些结果表明，三维实体模型载体AR地图能够更好地支持人类的空间认知过程，减少认知资源的消耗，提高空间信息处理的效率。