虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。国外许多临床心理学家已经运用虚拟现实治疗焦虑障碍等多种心 理疾病取得了一定的成效。本文介绍了虚拟现实的概念和发展历史以及在心理问题治疗方面应用,分析了虚拟现实技术的特点,展望了其在心理治疗领域的发展前 景。

一、虚拟现实

1.什么是虚拟现实

虚拟现实(VR)是一项多学科融合的技术,涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能技术等,它通过计算机生成逼真的三维 视、听、嗅觉等感觉,使人作为参与者通过虚拟现实设备,自然地对虚拟世界进行体验和交互作用。使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,生成精 确的3D图像,从而产生临场感。该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成 果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。概括地说,虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式,与传统的人机界面 以及流行的视窗操作相比,虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。

虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境,它可以是实际上可实现的,也可以是实际上难以实现 的或根本无法实现的。而“虚拟”是指计算机生成的图像。因此,虚拟现实是指用计算机生成的一种非物理真实的图像,人可以通过使用虚拟现实设备将自己“投 射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。

使用者不仅是以视觉和思维介入虚拟现实环境,而且更是以完整的生物个体融入到虚拟现实系统,在此过程中,个体的各种感知活动如视觉、听 觉和触觉,以及悲喜、悲伤、紧张与恐惧等情绪反应,都将得到充分表达。它与传统的模拟的技术完全不同,是将模拟环境、失敬系统和仿真系统结合为一体,利用 各种传感装置把使用者与计算机生成的虚拟现实连接在一起,让使用者完全沉浸在虚拟的多维世界中。它强调的是:逼真的感觉、自然的交互作用、独特的想象性。

2.虚拟现实心理治疗的发展现状

虚拟现实是比较先进的综合性计算机人工智能手段,它能够通过计算机图形(CG)技术和传感技术等工具营造出一个想象空间。而这种包含视觉、听觉和触觉多元化体验的想象空间往往是真实世界里很难实现、甚至是不可能实现的。

对有心理疾病或障碍的人群来说,更多的是人们不愿去面对的现实体验。虚拟现实则能够在心理治疗上为心理医生和患者搭建一个桥梁,使心理 治疗能够在虚拟现实的帮助下更好地进行。虚拟现实下的心理治疗方法由于其技术因素,决定了它省时省力,节省能源体力,更具真实感,效果明显等重要特点。

现在已经出现了针对特殊心理疾病开发的虚拟现实心理治疗系统。诺丁汉大学社交研究及精神病学研究小组对用虚拟现实系统治疗不同的恐惧症 进行了研究。美国加州Kaiser-Permanente医疗小组开发了一套将虚拟现实技术应用于恐高症治疗的试验系统,并且使得90%的参加者达到了治 疗目标。

在虚拟现实技术发展的推动下,出现了很多的虚拟现实心理治疗的实例。这些虚拟现实心理治疗有些只是利用了虚拟现实的基本原理,如 C.Botella等人对幽闭恐怖症的治疗、Brenda K等人对飞行恐怖症的治疗等[3-4]。还有一些更为接近实际意义虚拟现实的心理治疗方法和辅助工具设计,它们基本以软件设计为主,对虚拟环境进行建模和 重绘,通过视觉效果器和触觉效果器等手段来实现互动。如治疗注意缺陷多动障碍、恐高症、创伤后应激失调等。这种虚拟现实心理治疗软件的开发,.由于其针对 性太强,往往使治疗的患者对象群体比较单一。但与非虚拟现实的治疗效果相比,作用效果十分明显。

虚拟现实应用的发展推动力来源于计算机虚拟现实技术的发展。随着科技及心理学理论的发展,虚拟现实技术心理治疗领域开始得到广泛应用,并且向适用范围广、更真实、互动性和沉浸感更强的趋势发展,将彻底革新基于想象世界的心理治疗现状。

3.虚拟现实的特点

虚拟现实系统应具有以下三个特征:交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)和沉浸感 (Immersion)。这三个重要特征与其相邻近的技术(如多媒体技术、计算机可视化技术等)相区别。沉浸感,是指计算机生成的虚拟世界能给人一种身临 其境的感觉,如同进入了一个真实的客观世界;交互性,是指人能够很自然地跟虚拟世界中的对象进行交互操作或者交流;想象性,是指虚拟环境可使人沉浸其中并 且获取新的知识,提高感性和理性认识,从而深化概念并萌发新意。因而可以说,虚拟现实可以启发人的创造性思维。

虚拟现实的最主要的技术特征是沉浸感,即投入感。虚拟现实的追求目标是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的 感觉状态,有身临其境的感觉,即所谓“沉浸感”。导致“沉浸感”的原因是用户对计算机环境的虚拟物体产生了类似于对现实物体的存在意识或幻觉。为此,必须 具备图像、交互、行为三种基本的技术要素 [5]。

利用虚拟现实沉浸功能,使用户暂时与现实环境隔离,投入到虚拟环境中,从而能更真实地注视数据。虚拟现实界面也可以给技术人员及创作人 员提供真实数据,以便正确地创建虚拟环境,这样有助于用户更快、更全面地分析理解数据。因此,虚拟现实技术从根本上改变了人与计算机系统的交互操作方式。

而对于心理治疗的具体问题,虚拟现实技术还要具有安全性。虚拟现实技术可以营造一个安全可靠的新环境,有助于患者完全受保护的资讯室环 境,与有别于患者感到威胁的现实环境。他它能模拟很危险或挑战性很强的情景,提供一个安全的学习环境。在虚拟环境中,使用者可以通过体验错误来提高学习和 自我察觉能力。可以不断变换场景,各种困难、失误、无法预测的事件和戏剧性的结果都可以反复练习,而“实际上”不会造成任何伤害。患者在虚拟环境中感觉安 全,再加上有治疗师的支持,可以毫无困难的面对自己的障碍。与传统疗法不同,虚拟现实提供的安全环境可以让患者大胆地去体验和探索。

二、虚拟现实技术在心理疾病治疗方面的应用

1.创伤后应激性障碍治疗

创伤后应激障碍( Posttraumatic stress disorder, PTSD) 是人们在遭受创伤性事故或重大灾难后较常出现的一种心理疾病。这类疾病的理想疗法是情景暴露法, 但在以前的治疗条件下很难使个体当时遭受创伤和灾难的情景得到重现,而运用VR 技术可以比较好地解决这一难题。罗森鲍姆等人运用VR 技术对患PTSD 症的越战老兵进行了治疗, 其具体方法是把这些老兵置于和越战相似的虚拟情景下, 使他们重新体验当时在越战中受伤的经历。治疗中所采用的主要虚拟情景分别是一片被丛林包围的旷野和一架“休伊”直升飞机, 在经过一段时间的治疗后这些老兵的病情有了明显好转[6]。

2.厌食症治疗

厌食症有多种病因, 有些厌食症患者则是由于误认为自己过于肥胖而不愿进食才患病的, VR 技术可用于纠正此类患者对自己体形的态度。Riva 等人利用VR 技术制作了模拟厌食症患者的虚拟人, 然后让患者观看这种虚拟人成功完成各种对体形有严格要求的任务, 如钻狭小的通道等。经过训练, 患者端正了对自己体形的认识, 能以积极的态度配合治疗。

3.注意缺陷障碍诊断

VR 系统可通过头盔显示装置精确地向用户呈现各种视觉和听觉刺激, 并记录被试作出的反应, 近几年VR 技术已被逐渐用于诊断儿童的注意缺陷障(Attention deficit disorder, ADD)。里佐( Rizzo) 等人借助VR 技术建造了一间包含桌椅、黑板等教学设施和一位女教师的虚拟教室, 以此进行有关儿童注意力的研究。他们把一些儿童置于虚拟教室中,让他们对由虚拟黑板和虚拟教师给出的视觉、听觉信号做出反应, 同时他们还控制虚拟教室中出现的一系列噪音作为干扰刺激。实验结果显示, 这种测试方法可有效地区分出ADD儿童和正常儿童, 并且采用这种虚拟的教学环境更容易得到儿童的配合, 诊断结果要比采用传统方法更为可靠。

4.精神分裂症治疗

在精神分裂症治疗中, VR 技术主要被用于模拟精神分裂患者较常出现的各种幻觉。临床心理学家和精神病学家试图通过向精神分裂患者呈示虚拟幻觉而使他们了解幻觉的产生纯属病态, 必须接受专门的治疗才能克服和消除; 同时也希望通过这种技术手段使那些无法彻底医治的精神分裂患者能够适应于平时生活中所产生的各种幻觉。而要使这种治疗方法真正起作用, 一个重要的方面是需要根据不同病人产生幻觉的特点制作出相应的虚拟幻觉, 这在技术上提出了很高的要求。目前, 这种疗法尚处于试验阶段。

5.VR技术在社交焦虑症治疗中的应用

在恐惧症的治疗中, VR 技术被用于建立虚拟的自然情.景, 而在社交焦虑症的治疗中VR 技术则被用于建立虚拟的社交情景, 患者被置于虚拟社交情景中接受治疗。虚拟社交情景中需要设置虚拟人物, 并且这些虚拟人物应具有一定的“知觉”和适当的“表情反应”来实现与患者的社交活动。据国外文献报道, 最新的VR 技术已初步具有这样的功能。罗伊(Roy) 等人进一步把VR 技术用于社交焦虑症的治疗。他们使用VR 技术建立了4种不同的虚拟社交情景: 在虚拟会议室里对着虚拟听众发言、与虚拟朋友聊天、在虚拟咖啡店里受到虚拟顾客和服务员的关注、受试者自身利益受到虚拟人物的侵犯。研究者把1名患有严重 社交焦虑的女病人置于这4 种不同的虚拟情景中, 然后采用行为认知疗法和暴露疗法对其进行了多次治疗。在治疗过程中发现, 患者在各种虚拟社交情景中出现的心理与生理反应和现实生活中的基本相同, 经过一段时间治疗, 患者的社交焦虑症状得到了明显的减轻, 随后的复查也表明治疗效果相当稳定。

三、虚拟现实心理治疗系统设计

虚拟现实心理治疗系统应具备虚拟现实的功能和特点。以人的沉浸感为目标,通过对实时图像处理技术和效果器功能实现的研究,设计了虚拟现实的心理治疗系统。

1.系统的心理学原理

虚拟现实心理治疗系统的心理学原理是源于美国《科学》杂志在2007年8月24日发表了一篇关于“心灵出窍”的文章。文章指出利用简单 的虚拟现实技术,科学家刻意欺骗了人们的大脑,使他们产生了少有的体外经历(out-of-body experiences)和自觉意(Self-Consciousness),即一个人能够感受到他正在从自己的身体之外“看到”自己和周围环境。被实验 人感到自己的灵魂离开了肉体,并从外部观察着自己的身体。这一研究成果揭示了人类大脑在整合各种感官信息的过程中是如何产生混乱的。

英国伦敦大学学院的 HenlikEhrsson和瑞士联邦技术研究院的 OlafBlanke分别领导了两项实验证明了“心灵出窍”的现象,即通过简单的方法就可以轻易欺骗我们的大脑。

实验的具体过程为:

(1)健康状况良好的被实验人坐在椅子上,并在其后方2米处安放摄像机,用来拍摄其背部姿态。然后再让被实验人戴上一幅特殊的眼镜,通过该眼镜中的屏幕,被实验人能看到摄像机拍摄的图像。

(2)在摄像机前上下挥动棍子,同时用棍子接触被实验人胸部并作相同动作后,多数被实验人都回答说,感觉自己的身体位于摄像机前方,自己好像是在从后面看着别人一样。

(3)在体验环节(2)后,研究人员又用一把锤子向摄像机挥去,被实验人都做出了感到恐惧的神经反射。这可以解释成被实验人感觉自己的身体处在摄像机前而做出的反应。

实验的结果证明,在视觉和触觉被分离后,大脑的感官信息处理变得混乱,于是大脑创造出一个幻觉,使人感受到了一具并不真实存在的身体。 根据这一心理学原理,设计虚拟现实心理治疗系统。将虚拟现实技术和心理实验方法应用在心理治疗上,使体验者省去了冥想的时间,以虚拟眼镜为媒介直接看到自 己身处虚拟环境之中。通过感官刺激,更直观更深刻地感受虚拟的心理治疗环境。配合心理医师的引导,进而达到时间短效果明显的目标。

2.系统的效果和结构需求分析

本系统是一个辅助心理治疗设备,为了更好地达到理想的心理治疗效果,采用简单沉浸式虚拟现实设计。它的主要任务是给实验者或心理疾病患 者提供一个虚拟现实平台。通过这个虚拟现实平台,接受治疗的患者可以免去闭目冥想的阶段,要求使患者能通过虚拟视觉设备直接看到虚拟的冥想景象,即用视觉 刺激代替想象空间,从而达到省时高效、真实感强、无需训练的目的。

系统首先要求患者能从虚拟视觉设备中实时观察自己当前的身体状况,模拟置身于假想空间的场景,且要求达到人的思维和本体分离这样一个 “灵魂出窍”的效果。这样,对视觉下虚拟本体进行刺激便能通过视觉影响到人的大脑,从而改善人的心理意识。亦即可以避免对人本身的一些不必要刺激。其次, 要求在整个过程中都伴有医生的语声指引,同时能体验互动信号。通过语音和感知器件的提示(可以是震动、发热等方式)加强患者意识共鸣。另外,还要求系统尽 可能使用方便,移动部分轻便小巧;程序能根据不同心理治疗需求做出不同的细节变化等。

3.心理治疗系统的组成

针对以上的需求进行详细分析,将系统结构分为视觉、触觉、听觉三个部分。视觉部分以摄像头为输入设备,通过USB传输采集的图像到图像 处理单元。处理单元将人体从实际场景中提取后置入虚拟环境视频中,并将背景环境、人物和前景动画进行实时合成。处理后由虚拟现实眼镜输出到体验者的视野 中。触觉部分以心理医生的指令为输入,通过程序消息管理,将得到的响应消息,发送给串口通讯设备,通过无线传输抵达作为触觉效果器的感知器件,使体验者能 感受引导信号。听觉部分以麦克风为输入设备,实时传输医生的指引。此外,还有配合虚拟场景的立体音乐,由消息管理器进行控制输出。

其中,图像处理过程按流水线结构分布在两个处理单元中,按先后分别承担图像采集处理和图像处理输出任务,两单元处理过程同时进行。对于 一幅n×n大小的图像,流水线结构能使图像处理的时间复杂度由n2降为n。实际上,两个处理单元中前者完成图像采集和特征提取,后者完成与虚拟影像的合成 和显示处理工作。

4.系统软硬件平台设计

对于实时图像处理,速度是必须考虑的首要因素。做到实时就要求视频采集速度快,处理速度快,传输和读写速度快等。决定图像的处理速度主 要有CPU的速度、内存空间的大小、硬盘的数据传送速度、用于图像处理的软件、采用的图像处理算法等几方面因素,这些方面包括硬件和软件,硬件除了需要有 高的标准还必须配置恰当,能够正确、及时地表达软件的功能;软件要求必须能够充分发挥和利用硬件的优势。必须将二者的因素协调好,图像处理的速度才能有效 提高。

硬件方面。硬件是影响处理速度的主要因素。其中主要包含CPU、硬盘、摄像头、网络适配器。首先,CPU的处理速度决定着数据的处理能 力。市场上CPU的主要规格可划分为32位和64位两种,64位处理器刚刚出现不久,而且潜力巨大,但只能作用于64位操作系统上才能发挥优势,而且暂时 很少软件设计支持,故没有广泛应用。目前应用开发主流是32位处理器以及32位操作系统,考虑心理治疗系统的可移植性和接口开发的适应性,选择32位的处 理器和操作系统 (Windows XP)。其次,由于实时速度的需求,导致实时图像处理算法不能过于复杂,否则不能越过处理速度的瓶颈问题,故本系统内存需求较小,实验中采用 512MDDR2 内存,实际占用仅为20M左右(视实时图像复杂度而定)。第三,流水线结构要求必须有快速无延迟的网络通讯,因此采取10M/s的LAN或PC对联方式即 可满足要求。

软件方面。能用于图像处理问题的软件平台有很多,但用于实时图像处理的就只有几种比较适合。例如Visual C++(VC++)、Delphi等。现在主流的实时图像处理技术主要是应用VC与VFW(Video For Windows)或DirectShow结合编程来实现。

在VC环境下,图像处理速度快,简单易用,界面人性化,可移植性和可拓展性强。VFW是Microsoft公司为开发Windows平 台下的视频应用程序提供的软件工具包,提供了一系列应用程序编程接口(API),用户可以通过它们很方便地实现视频捕获、视频编辑及视频播放等通用功能, 还可利用回调函数开发更复杂的视频应用程序。它的特点是播放视频时不需要专用的硬件设备,而且应用灵活,可以满足视频应用程序开发的需要。Windows 操作系统自身就携带了VFW,系统安装时,会自动安装VFW的相关组件。VC++自4.0以来就支持VFW,大大简化了视频应用程序的开发。目前,PC机 上多媒体应用程序的视频部分,大都是利用 VFWAPI开发的。综合图像采集及处理要求,采用VC++结合VFW进行开发[7]。

5.辅助硬件

为了增强虚拟现实心理治疗系统的真实感,需要采取一些手段对患者的意识进行一定的引导。意识引导手段包括了语声引导和触觉引导。这里语声引导由心理医生实时配合完成,本系统主要的工作是完成触觉的提示引导。

配合虚拟现实治疗过程,要对患者进行触觉提示来辅助指引整个过程,要求在适当的时间给予患者真实的触感。可选用不同触觉效果器来实现。常见的触觉效果器多通过震动和加热等方式加以实现。

这里采用无线信号传输模块,配合末端微型震动电机来实现触觉效果器。这种实现方式的特点是价格低廉,质量可靠、效果明显,且与上位机通信方便易实现。在心理治疗实际过程中,无线传输的设计也会使患者行动更加随意,减少束缚感,增强沉浸感。

四、总结与虚拟现实技术前景展望

本文首先介绍了虚拟现实的概念、在心理治疗方面的发展历史以及特点,然后介绍了虚拟现实技术可治疗的心理疾病有哪些。通过对虚拟现实技 术发展和应用的了解,分析了虚拟现实应用在心理治疗的现状和应用前景,并且结合最新近的“心灵出窍”心理实验结论,针对具体的心理治疗方案,设计了一个基 于虚拟现实的心理治疗系统。

虚拟现实技术的发展前景十分诱人,在某种意义上说它将改变人们的思维方式,甚至会改变人们对世界、自己、空间、时间的看法。它是一项发 展中的、具有深远的潜在的应用方向的心理治疗新技术。利用它,可以使心理治疗更经济更有效。根据一项由临床心理治疗专家进行的对未来治疗技术的预测显示, 虚拟现实和计算机技术的应用将会成为重要的治疗技术,分别名列第三和第五。毫无疑问,随着计算机技术的飞速发展,虚拟现实技术会越来越被广泛应用于心理治 疗领域,极大地促进和提高心理治疗的水平,成为一种心理治疗的常用技术。

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