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自閉癥患兒教育康復虛擬現實游戲研制

添加時間:2018/07/28 來源:中國教育技術裝備 作者:沙慶慶 陳東帆 于新宇
自閉癥譜系障礙 (Autism Spectrum Disorders, ASD) 是一種廣泛發展障礙, 以社會交往障礙、言語和非言語交流缺陷、興趣狹窄和行為刻板等為主要臨床特征。
  以下為本篇論文正文:

  摘要:目的:設計、開發一款針對自閉癥兒童干預的虛擬現實教育康復游戲。方法:利用3dsmax軟件制作模型、Unity3D軟件搭建場景, 開發虛擬現實游戲——海底世界, 并應用于三名自閉癥兒童。結果和結論:三名兒童在開發出的虛擬現實游戲中, 大部分時間能集中注意力, 偶有情緒行為, 基本習得訓練內容。

  關鍵詞:虛擬現實; 自閉癥兒童; 3dsmax; Unity3D; 教育康復游戲;

  Abstract:Objective: To design and develop a virtual reality game of education and rehabilitation for autistic children. Methods: Using 3 dsmax to make models and Unity3 D to set up scenes to develop a virtual reality game underwater world, and applying to 3 autistic children. Results and Conclusion: In the virtual reality game, 3 children were able to concentrate most of their time with few emotional behaviors, and basic acquired training.

  Keyword:virtual reality; autistic children; 3dsmax; Unity3D; game of education and rehabilitation;

  1、引言

  自閉癥譜系障礙 (Autism Spectrum Disorders, ASD) 是一種廣泛發展障礙, 以社會交往障礙、言語和非言語交流缺陷、興趣狹窄和行為刻板等為主要臨床特征。據美國疾病控制與預防中心最新統計數據顯示, 截至2014年, 自閉癥譜系障礙的發病率高達1:68;亞洲同歐、美洲自閉癥發病率相似, 約為1%。自閉癥發病率愈來愈高, 自閉癥康復的重要性也日益凸顯。已有研究表明, 自閉癥是先天性的腦發育障礙疾病, 是神經系統疾病, 并將終身伴隨, 不能治愈。但是, 及時、全面、有效的康復訓練依然有助于自閉癥兒童恢復一般生活能力, 發揮其過人之才, 增加社會整體效益, 減輕個體負擔。

  目前, 國內外學者對于自閉癥兒童的表現性狀已有很多研究。很多研究發現, 自閉癥兒童有著異于常人的表現特征。如自閉癥兒童不能通過注意對象的整體特征來判斷其面孔情感, 很難解讀他人的情緒[1];感覺功能異常, 這與他們瞳孔光反射收縮振幅的降低顯著相關[2];屏幕媒體對他們具有有效的吸引[3];自閉癥兒童存在一定的注意轉移缺陷[4], 但其精細視覺加工能力表現過人[5], 更擅于從復雜刺激中找出某個圖形[6]。研究表明, 80%以上的自閉癥兒童對游戲的反應很敏感[7]。

  虛擬現實技術是在20世紀80年代初提出的。虛擬現實教育應用案例的分析表明, 虛擬現實技術有七大教育功能:體驗、探究、訓練、矯正、交流、創作與游戲[8]。由于自閉癥兒童存在一部分超敏弱敏現象, 同時, 精細化運動發展不完善, 因此, 本文虛擬現實游戲的設計與開發運用的是桌面式虛擬現實系統 (另外還有增強式、沉浸式、網絡分布式三種) 。

  此外, 對于自閉癥兒童的干預, 虛擬現實技術有著獨特的優勢。虛擬現實環境能夠為自閉癥兒童營造安全的教育環境, 為自閉癥兒童解決干預訓練中的多來源感知困難問題, 促進自閉癥兒童習得技能的遷移[9], 激發自閉癥兒童的學習欲望, 改善注意力缺陷, 增強他們的參與性與互動性[10]。

  2、虛擬現實設備搭建

  為了能使自閉癥兒童充分沉浸在虛擬現實的教學環境中, 本研究開發一個全封閉的虛擬現實房間。房間內分兩個隔間, 分別為一個實驗室、一個觀察室。實驗室設備包括兩個音響、一個由36塊高清液晶屏幕組成的9*4矩陣三面環屏顯示系統 (含觸摸膜) 、三臺攝像機。觀察室設備包括一個計算機柜 (連接實驗室36塊顯示屏) 、一個監視顯示器 (連接實驗室三臺攝像機) 、一個三面環屏同步顯示器。當實驗室設備全部工作, 自閉癥兒童、觀察員以及康復師在房間中的站位情況如簡圖1所示。

圖1 VR環境搭建圖環境搭建
圖1 VR環境搭建圖環境搭建

  3、游戲設計與開發

  場景設計 本研究采用海底世界作為教育康復游戲的背景, 主要有以下原因。

  首先, 相較于暖色, 自閉癥兒童更偏好冷色[11];對于環境顏色的偏好, 自閉癥兒童更偏向于居中、平和的色調[12]。

  其次, 研究發現, 不少自閉癥兒童都瘋狂地迷戀探索野外世界的電子游戲[13], 而海底世界恰如其分;海底世界的內容豐富多樣, 具有極強的探索性。

  再次, 豐富多樣的游戲內容能夠極大調動自閉癥兒童的興趣, 使其能夠集中注意力和情感, 全身心投入[14]。

  最后, 自閉癥患者常被描述為“視覺思維者”或“視覺思考者”, 而海底世界豐富多樣的水下效果能夠提供給自閉癥兒童適合他們思維特點的信息呈現, 這對于自閉癥兒童的教育康復訓練有極大的促進作用。

  游戲模型制作 為了使教育康復游戲達到簡單逼真的效果, 對自閉癥兒童產生足夠強大的吸引, 利用3dsmax軟件對游戲中涉及的各種海底生物進行簡單建模。整個制作過程包括如下幾個步驟[15-16]。

  1) 利用3dsmax自帶的簡單體塊模型進行模型的搭建。通過點線面的不斷拉伸、旋轉、移動、增減, 構建出海底生物的簡單外觀。

  2) 給制作完成的海底生物模型添加逼真的貼圖效果, 使模型更加趨于真實。利用NVIDIA等專業的貼圖制作軟件, 繪制出海底生物的皮膚外殼, 通過貼圖之間的相互轉換得到所需的反射貼圖、法線貼圖以及高光貼圖;將制作完成的材質貼圖附著在模型上, 通過參數的調整來控制模型的質感、逼真度以及與環境的融合程度。

  3) 給制作完成的海底生物添加生動的動畫效果。利用3dsmax自帶的動畫系統制作海底生物游動的動畫, 通過骨骼綁定的方式, 將制作完成的動畫效果添加到對應的模型上。

  按照上述流程, 完成建模工作, 就可以得到帶有動畫的海底生物模型, 如圖2所示。

  4) 模型制作完成后, 將所有模型以FBX格式保存并導入專業的游戲制作軟件Unity3D中, 完成教育康復游戲場景的搭建。

圖2 海底生物成模
圖2 海底生物成模

  游戲場景搭建 Unity3D引擎是由Unity Technologies公司開發的一個讓制作者輕松創建綜合型游戲的開發工具。本研究中教育康復游戲場景的搭建工作在Unity3D中進行。為了能夠使整個教育康復游戲看起來更加生動逼真, 達到引發自閉癥兒童興趣的目的, 在Unity3D中進行如下調整。

  1) 游戲治療的目的在于借游戲的特質發揮兒童本身的自我治愈力, 以抒發內在情結, 使人格得以正常發展[17]。為了讓模型能在Unity3D中形成逼真的海底世界感官, 將所有導入Unity3D的FBX模型通過復制、變換的方式完成海底世界整個游戲場景的搭建。場景搭建效果如圖3所示。

圖3 場景搭建效果圖場景搭建效果圖
圖3 場景搭建效果圖場景搭建效果圖

  2) 許多自閉癥兒童存在感覺統合失調, 外界多來源的感覺刺激信號會造成他們機體運轉的不和諧。而虛擬現實環境能夠將兒童從環境中隔離開來, 幫助兒童在特定情境下對特定刺激做出反應。為此, 在游戲中添加大量相似的UI按鈕, 以便自閉癥兒童觸屏交互, 具體如圖4所示。

  3) 虛擬現實游戲應當充分調動聲音、圖片、視頻、動畫等媒介, 通過完備的視聽刺激激發自閉癥兒童的興趣, 促進他們的參與與互動。為了使整個游戲畫面更加生動, 利用Unity3D的粒子系統制作出水泡上升的動態效果以及水草的律動, 然后給所有虛擬角色添加上語音效果。通過音樂與動畫的有機結合, 形成整體的靈動, 具體如圖5所示。

  4) 為了使教育康復游戲與自閉癥兒童形成互動, 利用Visual Studio軟件編寫交互腳本, 并附著在相應的模型上。具體操作如圖6所示。

圖6 交互腳本綁定圖
圖6 交互腳本綁定圖

圖4 UI界面圖圖界面圖
圖4 UI界面圖圖界面圖

圖5 水泡效果圖
圖5 水泡效果圖

  另外, 研究發現, 環境色彩的改變對于自閉癥兒童的情緒行為等一系列問題都會有所影響。為了探究RGB色彩對自閉癥兒童的影響情況, 找出具有積極影響的色譜區間, 在Unity3D中編寫腳本, 通過調用R (紅色) 、G (綠色) 、B (藍色) 的不同參數來調整整個游戲場景的主色調變化, 為以后干預實驗中RGB色彩參數的探究做準備。

  交互功能實現

  1) 本研究設計兩個操作界面, 用于教育康復游戲的進入與退出。通過編寫腳本, 實現兩個界面的相互轉換。場景切換腳本定義如下:

場景切換腳本定義

  2) 由于自閉癥兒童存在超敏 (或弱敏) 的現象, 本研究中的互動方式采用簡單觸屏交互。腳本定義如下:

腳本定義

  3) 本研究的目的是通過游戲的方式, 讓自閉癥兒童和虛擬現實環境產生互動, 在一定程度上對自閉癥兒童產生康復效果。因此, 自閉癥兒童與虛擬現實環境的互動是本教育康復游戲的主要內容。研究中, 當自閉癥兒童觸摸顯示屏設備, 教育康復游戲中的海底生物上就會產生對話框, 發出語音, 形成與兒童的互動?刂颇_本定義如下:

控制腳本定義

  4) 為了使游戲畫面更加具有動感, 構成完整豐富的水下效果, 海底世界的所有生物都應具備不同的動畫效果。因此, 同一個海底生物往往具備兩個或兩個以上不同的動畫效果。為了使動畫效果形成有序銜接, 對相關腳本進行如下定義:

相關腳本進行定義

  4、測試

  將本研究中的教育康復游戲運用測試, 選擇三名自閉癥兒童周XX (6歲) 、陸XX (6歲) 、王XX (7歲) 。經臨床診斷, 三人均為自閉癥;無視聽障礙;無自傷行為;無攻擊性行為。

  測試在虛擬現實房間進行。首先, 用傳統的方式完成對兒童個人信息的采集, 用兒童自閉癥評定量表對其進行評估;之后, 將三名兒童分別帶入虛擬現實房間, 用上述虛擬現實游戲對其進行康復訓練, 總時長為960 s。訓練全程用攝像機進行記錄, 著重觀察兒童注意時長、情緒行為表現以及訓練預期達標情況。

  結果發現, 相對于傳統康復訓練, 三名兒童在注意力方面均有不同程度提高, 訓練過程中注意時長均能保持在85%以上;三名兒童均對虛擬現實游戲產生濃厚興趣, 訓練過程中均有一至兩次沖到顯示屏前的亢奮情緒行為。在第207 s小丑魚出場時, 王XX有一次亢奮情緒;在第650 s大海龜出場時, 三人均出現亢奮情緒。由此, 虛擬現實游戲對自閉癥兒童有極強的吸引, 應當適度減弱影響。訓練結束, 三名兒童均能將游戲中的對話有一定程度復述。

  5、討論

  研究表明, 自閉癥兒童在虛擬現實環境中進行教育康復, 注意時間更長, 問題行為更少, 并能初步形成對話復述。這說明虛擬現實游戲的開發對自閉癥兒童的干預效果顯著。

  近年來, 隨著虛擬現實技術的日趨成熟, 越來越多的研究人員投身于虛擬現實對自閉癥兒童干預的研究中。研究發現, 相對于傳統干預方法, 自閉癥兒童在虛擬現實環境下能夠得到更好的干預[18], 能夠提高兒童的情緒認知能力[19]和語言能力[20]。

  此外, 隨著越來越多新興技術的出現和成熟, 如互聯網+技術、機器人技術等, 如何將這些嶄新的技術綜合運用到自閉癥兒童的康復中形成更加有效的干預, 將會成為一項新的富有生機的課題。

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