室内导航(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:李海滨,夏辉

出版社:电子工业出版社

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室内导航

室内导航试读:

译者序

进入21世纪,随着无线通信技术和互联网技术的快速发展,人们对基于位置的服务需求日益增长,无线导航定位技术因此取得了长足的进步。GPS始于1958年美国军方的一个研发项目,到20世纪70年代,GPS系统已经能够为海、陆、空三军提供全天候、实时、全方位的导航服务。虽然GPS的定位速度快、精度高,但是仅适合室外使用。在室内环境下,由于建筑物的遮挡,GPS信号快速衰减,无法从中获得有效的位置信息,导致定位效果较差。而随着人们对室内定位需求的增加,开发适用于室内导航的各种技术成为了迫切需求。

本书内容主要围绕室内导航技术展开,提供了既有广度又有深度的室内导航知识,方便读者了解室内导航系统存在的问题和面临的挑战,以及目前解决这些问题的方法和技术。本书的独特之处在于从认知、定位、测绘和应用等多个角度讨论了室内导航技术。本书的多维视角有助于读者更好地了解构建室内导航系统的问题和挑战、室内与室外系统和服务的区别,以及如何在具有挑战性的场合有效地应用这些系统。

本书前两章从认知角度描述了导航,第3章和第4章则讨论了适用于室内定位的几种传感器和适用于室内环境的特殊定位传感器;第5章给出了地下隧道内定位的例子;第6章讨论了地图辅助室内导航;第7章至第10章则聚焦于盲人和视障者的导航问题,并讨论了解决这些问题的方法和技术。最后一章解决室内导航的隐私问题。本书是一本适合高等院校相关师生教学参考和相关领域科研人员阅读的书籍。

本书由李海滨、夏辉、王大海、毛友泽翻译,参与翻译的还有张奕群、王蒙一、陈勤、洪灵菲、杜翔宇、褚京萍、鲍新郁、段巍。

由于译者水平有限,书中难免存在错误和不足之处,恳请读者批评指正。译者

序言

当在文献、报告或者网站上提到有关导航和运输的信息时,导向和导航这两个术语经常被混用。虽然这两个词在语义上有重叠,但它们之间存在着极其微小但又非常重要的区别,即导向是寻找两个地点之间的路径,而导航则是在选择的路径上移动并接收连续且实时的引导信息。另一种区别这两个词语的方法是用于导向和导航的通用技术不同。地理信息系统(GIS)技术被广泛应用于导向,而GPS和GIS技术(以及其他技术)的集成则用于导航。“导向和导航系统”与“导向与导航服务”之间也存在差别,前者是指提供导向和导航解决方案的专业设备,不需要与其他系统相连,也不需要第三方供应商;后者是指提供导向和导航解决方案的服务(最近常通过智能手机),通过有线或无线的通信链路与远程系统相连,由第三方供应商提供支持。从计算的角度看,导向和导航系统是集中式平台,导向和导航服务是分散式平台,分布在客户端(智能手机)和服务器(由供应商维护)上。

用于室外行驶的汽车导向和导航系统和服务已经存在了很长一段时间,并且成为人们日常行动中不可或缺的一部分,特别是人们处在陌生环境中的时候。汽车导航系统和服务的普遍性和高需求性主要归功于GPS技术的进步,目前GPS系统已经变得结构紧凑、经济实惠并且随处可见。其他技术领域(比如智能手机)所表现出的类似趋势促进了行人导航系统和服务的进步。由于行人在不同的环境(室外到室内,反之亦然)间连续行走,室内导航需要不同的数据和技术,虽然室内导航技术和服务才刚刚起步,但对其需求已经日益增强。

然而,从概念上来说,虽然室外和室内的导航包含相似的活动,但从物理空间和功能的角度来看,它们又存在差别。举例来说,行人室外导航的物理空间(或环境)一般指包含人行道路段和路口处的人行道网络,而不考虑城市或附近导航活动的需求。这有别于室内的物理空间(或环境),室内建筑物结构并不一致(比如,建筑物内的不同楼层布局,以及单层与多层建筑物)。另一个物理空间方面的区别在于仅利用二维地图数据就可以提供室外导航系统和服务的解决方案,而在建筑物内,则必须要有三维(或2.5维)的地图数据才能实现不同楼层间的导航。举一个功能上差异的例子,室外导航系统和服务主要基于 GPS 这种单一的定位传感器,然而没有任何一种定位传感器可以满足所有建筑物内的导航需求。简言之,室内导航所面临的独特挑战是室外导航中没有的。

本书为读者提供既有广度又有深度的知识,以便于了解室内导航系统和服务存在的问题和面临的挑战,以及目前解决这些问题的方法和技术。本书的独特之处在于从认知、定位、建图和应用的角度讨论室内导航技术。本书的多维视角有助于读者更好地了解构建室内导航系统和服务存在的问题和面临的挑战、室内导航系统和服务与室外的区别,以及如何在复杂场合有效地应用这些系统。然而,尽管有独特性,但对于“导航”这个术语的看法通常一致,并如文献中所述,本书中的有些章节基于前面定义的导向和导航的不同含义,而另一些章节对这两个术语互换使用。

前两章从认知角度描述导向与导航;第3章和第4章则讨论了适用于室内定位的几种可能的传感器和适用于室内环境的一种特殊传感器;第5章给出了一个特殊环境下导航的例子;第6章讨论了地图辅助室内导航;第7章至第10章则关注盲人和视障人士相关的导航问题,并讨论了解决这些问题现有的方法和技术。最后一章解决室内导航的隐私问题。下面对各个章节进行详细介绍。

第1章从认知的角度讨论了复杂环境中的导航。这是至关重要的,导向和导航系统和服务与其他应用的系统和服务一样,如果是基于导向和导航的认知原理设计的,那么就可以提供所需要的可靠解决方案。第2章中描述了一个室内空间认知的例子。GPS适用于几乎所有的室外导航场合,但对于室内导航,没有一种单一的传感器能够满足所有场合定位精度的要求,第3章描述了适用于室内定位的多种传感器。第4章介绍了通过磁场进行定位的技术,这是室内导航的一个特殊例子。同样,第5章介绍了另一个特例,即地下隧道的定位技术。考虑到在任何环境中地图都是导航系统和服务的核心组成部分,第6章讨论了地图辅助室内导航。构建室内导航系统和服务与室外存在不一样的问题和挑战,另一方面,为充分解决残疾人导向和导航的需求又面临独特的挑战。接下来的4章致力于讨论和分析盲人或视障者的导向和导航需求,以及为满足这些需求可用的方法和技术。第7章给出了盲人或视障者室内导向和导航所面临的挑战。第8章讨论了可用于盲人或视障者室内导向和导航的多种技术。第9章讨论了可以辅助盲人或视障者在室内环境中导向和导航的NavPal软件工具套装。第10章讨论了盲人或视障者室内导航系统和服务的未来发展方向。第11章讨论了室内导航系统和服务的隐私问题。

本书适用于对室内导航相关的方法、构图、传感器、技术和应用等感兴趣的人士。研究人员可以学习室内导航相关的最新研究成果,开发者们可以学习构建新的室内导向和导航系统和服务过程中可能遇到的问题和面临的挑战,学生们可以学习室内导航系统的基础知识。

编者

Hassan A.Karimi博士获得了计算机科学学士学位、硕士学位及地理信息工程博士学位。他是匹兹堡大学(位于宾夕法尼亚匹兹堡)信息科学学院地理空间信息技术实验室主任、教授。他的主要研究方向是导航、定位服务、位置感知社交网络、地理空间信息系统,以及空间数据库,并且已经有超过150篇的出版物在同行评审期刊和会议、国家和国际研讨报告会上发表。Karimi博士出版的书主要包括:《先进的定位技术和服务》(唯一编者),2013年由Taylor & Francis集团出版;《智能手机上的通用导航》(唯一作者),2011年由Springer出版;《CAD和GIS集成》(主编),2010年由Taylor & Francis集团出版;《地理空间信息研究手册》(唯一编者),2009年由IGI出版;《无线电地理空间信息:基于位置的计算和服务》(主编),2004年由Taylor & Francis集团出版。

作者列表

Cristina Bahm

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Jörg Bankenbach

RWTH Aachen University

Aachen,North Rhine-Westphalia,

Germany

Sarah M.Belousov

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Luigi Bruno

German Aerospace Center(DLR)

Köln,Germany

M.Beatrice Dias

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

M.Bernardine Dias

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Hend K.Gedawy

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Stephen C.Hirtle

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

James Joshi

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Susanna Kaiser

German Aerospace Center(DLR)

Köln,Germany

Mohammed Khider

German Aerospace Center(DLR)

Köln,Germany

Prashant Krishnamurthy

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Adriano Moreira

Universidade do Minho

Braga,Portugal

Abdelmoumen Norrdine

RWTH Aachen University

Aachen,North Rhine-Westphalia,

Germany

Balaji Palanisamy

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Fernando Pereira

European Organization for Nuclear

Research

Geneva,Switzerland and

Universidade do Porto,Portugal

Maria Garcia Puyol

German Aerospace Center(DLR)

Köln,Germany

Manuel Ricardo

Universidade do Minho

Braga,Portugal

Patrick Robertson

German Aerospace Center(DLR)

Köln,Germanyxiv List of Contributors

Satish Ravishankar

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Samvith Srinivas

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Aaron Steinfeld

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Ermine A.Teves

Carnegie Mellon University

Pittsburgh,Pennsylvania,USA

Christian Theis

European Organization for Nuclear

Research

Geneva,Switzerland

George J.Zimmerman

University of Pittsburgh

Pittsburgh,Pennsylvania,USA第1章复杂环境下室内导航的认知

Stephen C.Hirtle

Cristina Robles Bahm摘要:室内导航已经被证明是复杂难懂且需要外部辅助信息的,其中包括指示牌、地图或其他导航设备。本章介绍了为进行导航而对复杂室内环境空间认知的研究,主要对室内环境与室外或过渡环境的区别进行综合分析。本章的目的是总结已知的认知原理,以指导未来的研究和室内导航工具的开发。1.1简介

Colin Ellard在2009年出版的书《你在这里》中有一个引人注目的副标题,“为什么我们可以找到通往月球的路,但是却在一个商场里迷路”。虽然书名是《你在这里》,并且他从多种角度描述对空间的认知,但对室内导航的讨论还是相对较少的。通常导航的研究一般都指室外空间的导航,事实上从大约30年前开始,关于室内导航的文献逐渐增多。该领域内拥有大量的文献资料,对相关的知识进行归纳总结和分类是非常有用的,特别是关于室内空间信息增强技术的最新进展。本章的目的是通过回顾过去30多年来的研究工作,来审视对室内导航(特别是复杂环境下的室内导航)的认知。因为只介绍了这个主题相关的2000多篇文章,希望这个综述可以为该领域的研究者们建立一个好的背景,并且能够支撑本书后续章节的内容。

如表1.1所示,研究工作大致可分成3个时期。20世纪80年代,有大量重要的、被频繁引用的、基础性的室内空间的研究,并且建立了很多沿用至今的空间认知相关的基本参数(见1.2节)。表1.1 按时间和认知领域分类的室内空间认知研究方法

之后的20世纪90年代至21世纪初期,出现了一大批基于特定室内导航任务的实证研究(见1.3节),同样有一小部分文章致力于描述建筑物的属性(见1.4节)或特殊分析工具的发展情况(见1.5节)。最近,很多研究团队将他们的研究重点从收集更多数据转移到了基于室内空间认知原理的综合理论的发展上(见1.6节)。最后总结了对未来最能产生成果的研究领域的一些思考(见1.7节)。1.2历史方法

室内导航认知方面的实验研究最早出现在20世纪80年代早期。1982年Thorndyke和Hayes-Roth发表了一篇基础理论的文章,比较了基于地图和基于导航获得的较大室内空间(位于圣莫尼卡的兰德公司总部大楼的两侧)认识的差异。他们的研究建立了一个基本原理,也就是从地图上获取的空间信息与通过在室内行走获取的空间认识是存在本质区别的。这项工作也由室内空间推广至其他空间,并且这项早期的工作为该领域提供了很多沿用至今的技术。

这一时期的另外一系列重要文献来自位于瑞典Umeå的Tommy Gärling实验室(这一工作的完整内容详见Gärling于1995年发表的文献)。1983年,Gärling等人就这一主题发表了一篇被多次引用的经典文章,并且是系统地研究通过已有认识、视觉所见和方向辅助在建筑物中导航的最早的文章之一。因为两个位置都在视线范围内,这极大地便利了参观者估计出内部位置的方向。然而,在参观者4次通过建筑物后,这种差异就消失了,因为视觉可见性,参与者之间没有表现出差别。

对比而言,Moeser于1988年发现在像医院这样复杂的室内建筑结构中,很难通过导航来建立空间认知。一个特别令人惊讶的发现是,对于一栋五层的医院大楼,即使是一个在里面工作两年的实习护士,对空间认知也没有建立起直观的概念。被要求记住楼层布局的初级参与者比有经验的护士表现得更好,表明在复杂空间中仅靠经验不足以获取足够的空间认知。同样重要的是空间复杂程度对于室内导航的测试是一个关键变量。

这一时期研究工作关注的是建筑结构,以及像地图和标牌等的具体工具。1982年,Levine发表了一篇名为《你在这里(YAH)地图》的经典文章,辩称YAH地图的信息、可读性和放置位置对于它的理解和使用是非常关键的。对比现实中建筑物内的YAH标识,他发现这些标识要么没有与环境对应,要么放在一个会让人产生误解的地方。比如,相比较于放在一面墙的中间,把一个YAH地图放在墙的一端会大大增强地图的可读性。值得注意的是,2006年,Klippel等人提出很多商场和宾馆都使用同样的地图而不考虑如何将其放置在环境中。1.3任务导向的研究

另一个让人感兴趣的研究领域是基于当前任务,在紧急时刻是继续购物还是马上离开(Hajibabai、Delavar、Malek和Frank,2006年;Raubal和Egenhofer,1998年)。紧急出口问题尤为严重,这个问题极少遇见,但是一旦发生就会给人们带来巨大的精神压力和极低的能见度。2006年,Klippel等人通过查看YAH地图上的信息,检查了紧急疏散中的一个步骤。这项工作基于Agarwal于2005年提出的物理环境(真实世界)、示意图(地图)和空间的内部表达(寻路者)之间三边关系的概念。这一观点产生了一系列评估地图的标准:完整性、可读性、语义清晰、语用能力、放置位置(不论是全局还是局部情况)、信息交互、文本对齐方式,以及冗余情况(同时包括正面和负面内容)。2006年,Klippel等人指出在很多时候信息不一定描述了真实的环境。2000年,Hirtle使用“地图手势”这个词来描述地图中用以引导注意力的一般线索。同样,在没有详细路径信息的条件下,一个物理手势对于告诉游客“朝哪个方向走”会很有帮助。

在相关的工作中,O'Neill于1991年证明了文字性标识和图像标识在辅助学生校园建筑物内导航上具有同样的作用。然而,在没有标识的情况下,复杂建筑物内的导航是相当困难的。2001年,Hirtle等人审视了导航的目的,发现就不同任务的相关性和颗粒度的不同而言,语言和描述的方法也会随之变化。在测试室外导航时,Hirtle等人于2011年讨论了对速度有较高要求的任务(比如去医院)通常描述为短距离、直接的路径,而对于悠闲的任务(比如去一个乡村旅馆)则通常用包括多种旁白和观察的较为冗长的描述。

检验任务的另一种方法要考虑不同的环境,因为每个环境都是为不同的活动设计的。比如,地铁站的设计是快速并高效地将旅客送进或送出地铁系统,而一个大型商场的设计是为了吸引顾客,让顾客慢下来,从而能购买更多的商品。为了观察个人离开地铁站时对线索的反应,Ishikawa和Yamazaki于2009年发现相对标识了地铁站出口的地图而言,标识了同样信息的照片更能帮助参与者快速准确地找到出口。基于该原理,Wang和 Yan 于2012年实现了一个用于室内导航的基于图像的APP,使用该系统的参与者识别精度达到95%。

颜色被认为是一个非常重要的线索。1980年,Evans、Fellow、Zorn和Doty认为,当把一个四层楼建筑的内墙刷成不同的颜色时,对导航时位置的回忆会有很大的帮助。1.4认知结构的观点

在建筑设计和土木工程领域,对所用建筑的建模和图形描述已经有相关研究。除了可视化和图形化的方法(比如,Aliaga、Rosen 和 Bekins,2007年;Beneš、Št'ava、Měch和Miller,2011年)之外,一个关键概念是Bao、Yan、Mitra和 Wonka于 2003年提出的“好的建筑布局”。2013年,Bao等人认为好的建筑布局可以对每一个建筑构建一个模型,然后将具有相似楼层平面图的建筑进行归类。相比较于讨论单个建筑物的可导航性,这种方法给出的是某一类的建筑物比其他类型的建筑物更具导航性。另外,一个建筑物接近该类建筑模型的程度可能使得在其中的导航更容易。也就是说,在一个标准布局的杂货店中比在一个独特布局的两层杂货店中导航更加容易。

Lynch于1960年、Stea于1974年、Passini于1992年的工作中均体现了建筑物设计和导航之间的联系。最近的一篇利用认知结构分析的文章中,Holscher等人于2006年识别出德国Gunne一个多层会议中心导航中存在的7种可能的“热点”问题:入口大厅、调查地点、楼层、死路、内部建筑结构、公共和私人空间和楼梯。这些热点中的每一个都已经被证实难以进行导航。对导航瓶颈的空间句法分析,特别是会议中心楼梯的设计支持了实证分析结果。因此,类似于空间句法(见下一小节)的分析工具,结合行为测试,可以描绘出使用者在复杂室内环境导航时可能迷路的区域。1.5空间句法

Bafna于2003年、Hillier和Hanson于1984年提出的“空间句法”已经被证实为导航的一项核心技术,它对室内导航尤其有用。空间句法建立在对环境可视图建模的基础上(Davies、Mora和Peebles,2007年;Turner等人,2001年)。也就是说,通过利用等视域多边形来检测一个区域的通视性,可以知道哪些内部区域对于另外的内部区域是可见的。2007年,Hölscher和Brösamle质疑空间句法是否适用于多层建筑中的导航行为。在他们的试验中,12位参与者被要求在一个非常大的三层教学楼中寻找不同的房间,这些房间用数字(比如308房间)或者用途(地下室中的保龄球场)区分。通过6个变量来衡量其性能:完成任务的时间、停顿的次数、偏离合理路线(迷路)、走过的距离、多余路径的比例、平均速度。空间句法测试可以在个人感兴趣的方面给出不同的表现。比如,

新手往往穿过位于入口楼层、入口大厅和高度集成的楼梯间等高度连接和集成的区域。在导航策略方面,这反映了中心点战略,这在新手中极受欢迎,但在专家中用得就要少一些。

空间句法测试被证实在购物和其他空间行为(Kalff、Kühner、Senk、Conroy Dalton和Hölscher,2010年;Wiener和Franz,2005年)以及一般情况下的室内空间建模方面也是有用的。1.6一般原则

2012年,Li和Klippel提出是否可以通过关注导航过程和环境自身的某些特殊方面来预估复杂的室内环境中的问题。如果一栋建筑的视觉通透性很不好,个人的空间能力比较弱,同时建筑的结构又不易于导航,我们是否可以说在那里人们很容易迷路?那么我们怎样利用这些知识把辅助导航做得更好?根据目前的文献资料,空间认知和物理环境因素在迷路方面起着重要作用。在建筑物中迷路的问题也直接在空间学习和推理策略能力,以及用户之间的个体差异(Carlson等人,2010年;Hölscher等人,2013年)上进行了测试。研究表明导航经验和物理建筑本身的很多方面都可能导致室内导航的错误。

下面列出了在复杂室内环境中导致导航错误的因素(Carlson等人,2010年;Hölscher等人,2013年;Li和Klippel,2012年):

视力可达性

个人空间能力

导航辅助设备

用户构建的思维地图

空间学习

推理策略

物理环境和建筑物结构1.7未来的研究方向

通过对室内导航方面大量的研究和经验学习,读者可能会问在未来的几年中哪些是还要急需解决的问题。该分析建议有三大类的问题需要进一步关注:技术、理论和空间。这些概念将在下面进行阐述。1.7.1 技术问题

尽管全球定位技术在室外导航中得到了广泛应用(结合实时交通信息和道路街景图像实现),但室内导航辅助设备还处于起步阶段。虽然应用于室内定位系统的方案正在不断发展,但是还存在隐私和可用性等区别于室外导航系统的基本问题。1.7.2 理论问题

用于室内空间归类的理论还在讨论中。一套完整的理论应该既包括底层的细节(Hölscher等人,2006年),还应包括高层次的结构(Tversky,1993年)。Werner、Krieg-Brückner、Mallot、Schweizer和Freksa于1997年将室外空间知识分割成地标、线路和测量知识,这提供了一个一般性构架,目前正在发展一套简单的更高层级室内空间分类法。也许简单和复杂的建筑物的划分或建筑类型的分类将是一个可以考虑的更有用的更高层级的框架。1.7.3 空间问题

最后一个问题是空间问题。什么是室内空间?如何区别于室外空间?近期的COSIT研讨会聚焦于过渡空间的特性,正如Kray等人于2013年提出的室外通道或城市广场。此外,受限区域占比很高的楼宇(比如医院)与公共区域占比高的楼宇(比如商场)存在本质区别。正如室外的自然环境和人工建造环境中的导航是完全不同的,室内空间的基本类型尚未确定。1.8总结

复杂环境下的室内导航仍然是一个新兴的研究领域,有越来越多的实用工具用于监测、建模和分析导航问题。正如1974年David Stea所写:“建筑物的观念或形象和建筑物本身一样重要。”这种思想已经在很多研究项目中得以体现,利用行人的观察混淆和等视域和空间句法方法对从建筑中提取的信息进行建模。

2014年,Afyouni、Ray 和 Claramunt 提出情景感知、自适应导航,无论是用于新环境中的自动机器人还是人类旅行者,都处于发展的最前沿。如图1.1所示,在开发用户友好室内导航系统时需要考虑包括环境线索、基础设施和用户偏好等问题。本章通过查看功能、喜好和接口问题,重点关注以用户为中心的三角情境关系。空间句法的建模技术是可用的建模技术之一。图1.1 室内导航的上下层维度分类(Afyouni、Ray和Claramunt2014年授权印发)

最后,可以关注室内空间和室外空间之间的过渡区域以完成分析。基于通道、中心站和光场,Kray等人于2013年给出了对同一空间认识的个体差异,如图1.2所示,对于同样的一些区域,某些参与者认为应该划作室内区域,因为它们需要“进入”或者“出来”,而另外一些参与者则认为这些区域是室外区域,因为需要“穿过”或“越过”这些区域。2013年,Kray等人将行为和语言分析结合起来,使得旅行者具有内在化的空间图像。这项工作表明从室外空间推广到室内空间的难度,以及考虑两者之间的过渡区域能产生新的见解。图1.2 室内、室外和过渡空间相关的空间描述(来自Kray等人,2013年)参考文献

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[40]Wiener,J.M.,& Franz,G.(2005).Isovists as a means to predict spatial experience and behavior.In Spatial cognition IV:Reasoning,action,interaction(pp.42-57).Berlin,Germany:Springer.

[41]Worboys,M.(2011,November).Modeling indoor space.In Proceedings of the 3rd ACM SIGSPATIAL international workshop on indoor spatial awareness(pp.1-6).New York,NY:ACM.第2章扩大室内空间认知影响作用的研究

Samvith Srinivas

Stephen C.Hirtle摘要:就全景的缺乏性和活动的限制性而言,室内空间和室外空间有着本质的区别。本章介绍了个人如何通过扩展导航路径来建立室内空间知识的历史文献,提出了使用简单或复杂的路线,在主动或受控条件下学习室内空间的新的虚拟现实研究。之后两个小组均进行了在虚拟现实环境中根据图示说明探寻陌生区域的能力测试。各项空间任务在主动和受控条件下的性能表明主动性能够提高性能,尤其是复杂条件下的性能。研究结果建议那些设计建筑环境和未来导航系统的人士,考虑路径的复杂性和认知,以及对旅行者影响的重要性。2.1简介

导航是人类和其他物种所具有的基本能力(Golledge,1999年)。文献中广泛涉及了对导航行为的研究,包括在熟悉和陌生环境中导航的对比(Streeter、Vitello和Wonsiewicz,1985年),以及对室外环境中路径指向的研究(Denis、Pazzaglia、Cornoldi和Bertolo,1999年,Fontaine和Denis,1999年)。这条研究路线已经验证了寻路者获取空间知识的能力(Golledge,1992年)、导航者的空间概念化与内部表征(Mark、Freksa、Hirtle、Lloyd和Tversky,1999年;Tversky,1993年)、导航者与导航辅助设备的交互(Krüger等人,2004年;Streeter等人,1985年),以及路标的重要性(Raubal和Winter,2002年;Sorrows和Hirtle,1999年;Tom和Denis,2003年)。

研究人员还探索了不同复杂度和颗粒度条件下,与环境和路径方向相关的导航概念。2009年,Klippel和他的同事探讨了能够在城市轨道交通中提供人体工效学路径方向的方法。2009年,Tenbrink和Winter探讨了由人类和系统产生的用于描述在多模式(步行和乘坐公共交通工具)环境中行进的导航本质。2007年和2008年,Schmid探讨了取决于个人空间认知的路线描述。在这项工作中,Schmid依据一个人对空间的熟悉程度自动产生路径方向。

作为一种半熟悉环境下导航建模的方法,Srinivas和Hirtle于2007年提出描述一条包括已知区域和未知区域路径的理论方法。有这样一个例子,一个人从她家行进至位于小镇上陌生区域的一家新的餐馆。基于以往的经历,这条线路的一部分是熟悉的,而剩下的部分(尤其是路线的尾部)可能是不知道的。这样的半熟悉路径称为知识路径(k路径),每一条k路径包括一系列已知的部分和新的部分。此外,相邻的已知部分可以通过一个称为路径方向元件的知识组块相结合。知识分块包括将区域中的所有部分分组成“知识组块”。这些概念——包括编码熟悉度和知识组块——作为基于导航者先验知识的产生路径方向的基础,形成“基于知识的图式化”的概念。2007年,Srinivas和Hirtle提出的知识路径理论构成了实证研究的理论基础。

不像Srinivas和Hirtle于2007年所讨论的室外导航检验方法,当前的研究注重已知空间和扩展空间的室内导航。在文献资料中,室内空间得到的关注远比室外空间少,但是室内导航会更有意思,也更加困难,因为会产生很多新的未知领域。在本研究中,我们检验了基于最初的经验如何建立室内空间的表述,以及如何将新知识集成到现有的知识中去。2.2认识新的空间:实验验证2.2.1 方法

为了检验用于导航的知识路径理论,研究人员要求参与者在主动的或者被动的(受控)的条件下(两者二选一),利用导航穿过一个室内虚拟现实(VR)环境。在实验的第一阶段,参与者们学习了通过一个空间的4条路径,其中两条是简单路径(只有一个弯),另外两条是复杂路径(包括5个弯)。在实验的第二阶段,让他们沿着这些路径导航以测试他们的导航能力。在实验的第三阶段,测试了他们在同样的学习过的空间中产生新路径的能力。这三个阶段一起构成了实验的第一方面。在实验的第二方面(也是第四阶段),参与者们被要求在图示指导下导航到远离初始位置的新区域。1.招募参与者

通过在匹兹堡大学校园张贴传单招募了42名参与者,他们参与持续1~1.5小时的实验并获得15美元的报酬。他们的年龄在18~36岁,平均年龄为23岁。有一位参与者因为没有正确理解实验说明,在分析过程中删除了与其相关的数据。另一位参与者的测试结果则因为在虚拟现实环境导航测试中缺乏舒适性而删除。最后的结果样本包括20位女性参与者和20位男性参与者。2.资料

资料包括一个工作记忆容量的标准测试(Smith和Kosslyn,2007年)和空间定向测试(Hegarty和Waller,2004年)。一份用于记录参与者经历的背景调查表和测试后调查表;同时给出了一份单独的调查表用于测试参与者在已知空间中放置路标的信心;用于展示虚拟现实环境一台投影仪(Epson Powerlite 730c)和一台笔记本电脑(Lenovo T61);用于导航控制的一个标准的罗技BT96a有线光学鼠标和笔记本电脑键盘;用于记录虚拟现实环境中参与者移动过程的 Windows 桌面上截屏软件Hypercam v0.2版本。3.虚拟现实环境

构建了3个虚拟现实环境,每一个环境包含建筑物中的单独一层。第一个虚拟现实环境包括一个小型的H形走廊,在对面的角落里有用于现实环境的路标。第二个(最主要的)虚拟现实环境在实验的第一部分用于阶段1的训练和阶段2及阶段3的测试。它包含走廊和房间,构成10个互不相同的区域,如图2.1所示。图2.1中用大写字母标示的每一个区域的墙上包含不同的形状和颜色。图2.2给出了一个这样的区域;图2.2中的白色箭头相当于图2.1中的“B”。在阶段1的训练环境中,虚拟墙壁的放置原则是参与者沿着主路径在任何一个交叉口最多转错一次弯。虚拟墙壁的放置方式将在2.3.2一节中详细论述。在阶段2和阶段3,虚拟墙壁的放置原则是允许参与者最多转错两次弯。测试环境中的虚拟墙壁限制了主要路径以外区域的勘测,但同时也允许行进者有一定程度的独立性。图2.1 阶段1和阶段2的训练和测试虚拟环境分布图

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