基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法

本发明涉及认知神经科学与计算机软件技术交叉领域，具体涉及一种基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，尤其适用于测定年轻、高导航能力人群的空间认知极限。

背景技术：

1、在相关研究中，视空间工作记忆被认为与地标信息加工及认知地图建构密切相关。现有技术中，通常采用基于虚拟环境的空间导航实验范式，即通过让受试者在虚拟环境中学习目标物体的位置，并在目标物体被移除后依赖记忆完成目标物体原位置的返回任务，以此评估其空间导航能力及认知地图建构水平。

2、但目前的测试方案，基本都是针对认知能力相对偏弱人群进行设计的，例如针对老年人进行设计的，对于年轻人或者从事特殊行业，空间导航能力得到锻炼提升的人群，传统测试方案基本都可以拿到极高的分数，但彼此之间难以形成区分度，也难以让他们自身及研究人员切实地量化其空间导航能力，而目前尚未有针对该问题的针对性解决办法。

3、基于此，本发明人对空间导航能力做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题，能够为特定人群，尤其是空间导航能力很强的人群提供其空间导航能力极限的评估系统及评估方法。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，该系统及方法中，通过自适应调整彩色散点图数量改变工作记忆负荷并关联匹配难度的虚拟地图，要求受试者在负荷记忆下完成三维导航及目标收集，进而通过离线地图测验和次日的情景识别、隐藏目标导航任务，量化学习效率、空间定位精度及记忆巩固速度。本发明能够动态匹配受试者能力水平，尤其适用于导航能力较强人群的极限能力测定，能够为航天、驾驶等领域的人才选拔与训练提供客观、精确的量化依据，从而完成本发明。

2、具体来说，本发明的目的在于提供一种基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统，该系统包括：

3、视空间工作记忆负荷呈现模块1，用于生成并显示具有可变数量散点的彩色散点图，且每次呈现的位置布局和颜色分配均不同；该模块还能够响应于难度自适应指令，从而调整散点数量；

4、三维导航引擎与控制模块2，用于渲染包含单行道及目标物体的三维虚拟环境地图，接收受试者的移动与收集操作指令，实时记录轨迹与位置，并基于收集位置与目标物体真实位置的距离提供分级视觉反馈；

5、工作记忆保持测试模块3，用于呈现包含真实彩色散点图及相似干扰刺激的判断界面，记录受试者的选择并生成表征记忆正确性的二值变量；

6、空间位置测验模块4，用于呈现二维俯视地图，接收受试者沿地图中单行道移动和标记的输入，计算标记位置与目标物体真实位置之间的直线距离误差及角度偏移，并按预设角度阈值进行分级评价；

7、记忆巩固测验模块5，用于检测受试者对于三维虚拟环境地图中目标物体的静态低分辨率空间记忆及动态高分辨率空间记忆。

8、本发明还提供一种基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估方法，该方法包括如下步骤：

9、步骤1，由所述视空间工作记忆负荷呈现模块1向受试者呈现一张带有颜色的散点图，要求受试者记忆，每次呈现的位置布局和颜色分配均不同；

10、步骤2，散点图消失后，由所述三维导航引擎与控制模块2为维持记忆状态下的受试者提供三维虚拟环境地图，受试者通过预设按键在三维虚拟环境地图的单行道上探索，受试者在到达目标物体位置时通过操作按键收集目标物体，此时受试者实际所在位置即为收集位置，根据该收集位置与真实位置的距离给予分级视觉反馈；同时以固定时间间隔记录受试者位置坐标和路径轨迹，还记录该收集位置；

11、步骤3，三维虚拟环境地图消失后，由所述工作记忆保持测试模块3呈现同时包含真实彩色散点图及相似干扰刺激的判断界面，在预设时间内记录受试者的识别结果，生成二值变量r；

12、步骤4，重复步骤1至步骤3共3-5次，构成一个学习单元，在完成每个学习单元后，计算该学习单元内r的错误率，在错误率不满足预设要求时，生成难度自适应指令，并再次进行一个学习单元，直至错误率满足预设要求时，将受试者与最终使用的三维虚拟环境地图对应存储，并继续完成2个学习单元，使包括该错误率满足预设要求的学习单元在内共3个学习单元构成第一个任务块；所述预设要求包括错误率大于0且小于90%；

13、步骤5，每完成3个学习单元后，由所述空间位置测验模块4进行m次空间位置测验；每次空间位置测验中，呈现与三维虚拟环境地图对应的二维俯视地图，且该二维俯视地图中不显示目标物体，受试者通过按键控制标记沿单行道移动，并控制标记在其判断的目标物体位置停止，记录标记位置与真实位置之间的直线距离误差及角度偏移，并按预设角度阈值进行分级评价；

14、步骤6，3个学习单元和后续的m次空间位置测验定义为一个任务块；至少连续循环执行5个任务块，从第5个任务块起，若当前任务块中的m次空间位置测验分级评价都达到完美级，则该任务块为最后一个任务块，学习阶段结束；否则增加一个任务块，直至某一任务块中的m次空间位置测验分级评价都达到完美级；

15、步骤7，由所述静态粗略位置子模块51呈现包含目标物体的多张场景截图，每张所述场景截图的背景都是与三维虚拟环境地图对应的二维俯视地图，且都包含有m个目标物体，但仅有一张场景截图完全正确，其余场景截图中都至少有一个目标物体被替换为虚假探针；由受试者在规定时间内选择出包含全部目标物体的准确场景截图，记录判断速度与正确率；

16、步骤8，由所述动态准确位置子模块52提供无目标物体的三维虚拟环境地图，要求受试者通过捷径导航至其记忆中的收集位置，并确认；根据收集位置与目标物体真实位置的距离提供分级视觉反馈；完成全部目标物体收集位置的寻找任务后，要求受试者沿捷径返回出发点，全程记录受试者的轨迹；

17、步骤9，步骤7和步骤8定义为一个测验单元，连续执行18个测验单元，由所述数据记录与综合评分模块7整合该受试者在步骤1中的散点数量、步骤3中的二值变量r、在步骤6中学习阶段结束时所用的任务块数量、步骤5中全部的分级评价、在步骤7中判断速度与正确率、步骤8中收集位置与目标物体真实位置的距离、步骤8中走捷径的次数，以及步骤7和步骤8中检测结果的变化趋势，并据此生成综合评分。

18、本发明所具有的有益效果包括：

19、（1）根据本发明提供的基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，实现了工作记忆负荷与导航任务的自适应匹配，避免天花板效应和地板效应。

20、（2）根据本发明提供的基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，构建了负荷导航-回溯-离线测验-巩固考试的全链条评估范式，能够充分反映真实环境中“带着记忆导航”的认知过程。

21、（3）根据本发明提供的基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，引入了完美阈值与循环终止判定机制，实现了能力极限的客观标定，避免了个体间因“自认为学会”而停止的主观差异，为导航能力提供了一致的、可量化的客观标尺。

22、（4）根据本发明提供的基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，设计了次日巩固检测的方案，能够评估记忆重映射与长时巩固能力。

23、（5）根据本发明提供的基于视空间工作记忆负荷的空间导航能力评估系统及方法，在任务难度上保留了足够的“天花板空间”，使得即使在导航能力较强的大学生群体中，仍能观察到显著的表现差异，尤其适用于选拔对空间导航有极致要求的驾驶员、飞行员、宇航员等岗位。