1.研究背景

颜色属性包括色调、色度和亮度。目前关于色彩心理学的研究主要集中在现实环境的色调对人的心理和生理反应的影响，而对VR环境的颜色设计的研究有限。因此，本研究探讨了沉浸式VR环境中颜色属性（色度和亮度）对人们认知和智力的影响。

2.研究设计

2.1研究目的

本研究采用心理学的认知测量方法，通过两个实验研究沉浸式VR环境中颜色刺激（色度和亮度）对人们认知能力和智力表现的潜在影响。心理测试方法被用于验证被试的认知表现，因为它们易于量化，并且可以在现实世界和虚拟现实环境中进行。

2.2 研究方法

在沉浸式虚拟环境中，记录被试在不同色度和亮度背景下完成每项心理测试的反应时间和错误率。实验采用6种类型的心理测试来测量被试的逻辑思维能力(逻辑规则和数学序列测试)、横向思维能力(空间结构和旋转测试)和细节注意能力(找不同测试和细节测试)(表1)。

①色度实验采用7个色度水平的VR背景(90%，75%，60%，45%，30%，15%和0%)考察VR环境色度对被试认知表现的影响及其在性别上的差异；②亮度实验采用4个亮度水平的VR背景(90%，75%，60%和45%)考察VR环境亮度对被试认知表现的影响及其在性别上的差异。

反应时与错误率是本实验中反应认知能力和智力表现的测量指标，用于评估每个被试的唤醒度和兴奋性。被试的兴奋性和唤醒度(均与平均值相比)定义为高唤醒(HA)，反应更快，错误率更低;低唤醒(LA)，反应较慢，错误率较高;高兴奋性(HI)，反应时间短，错误率高;低兴奋性(LI)，反应时间更长，错误率更低。

表1. 六种心理测试

2.3被试

实验共招募了28名被试(男14名，女14名，年龄在20 - 28岁之间)。

2.4实验流程

实验选取在一个暗室里进行，所有被试在实验开始前完成石原色觉测试，以确认其有正常的的颜色识别能力。通过测试后，所有被试都将进行不同颜色条件下的所有心理测试。每位被试首先进行练习任务熟悉实验过程，然后开始色度实验和亮度实验。实验要求被试注视HMD VR设备提供的白底图片5分钟，以适应实验。为了避免引入其他干扰因素，每个心理测验的测试问题和背景的色度的呈现顺序是随机的。在虚拟现实环境中，每个参与者与显示器保持约70厘米的固定距离。

2.5数据分析

研究使用SPSS软件采用Kruskal-Wallis检验确定不同色度背景水平的统计学显著性。

3.实验结果与分析

3.1色度实验

图1. (A) VR背景色度对被试反应时的影响;(B)VR背景色度对被试错误率的影响;(C)VR背景色度对被试整体表现的影响。

图1(A)和(B)显示了所有六种类型测试的响应时间和错误率的平均分数。图1(C)显示了VR背景色度对被试整体表现的影响。30%色度水平是被试表现最好(最兴奋)的地方，反应时间相对较短，错误率最低。针对反应时间（见图1A），被试在30%色度水平的背景下反应最快，而在75%色度水平的背景下反应最慢；即75%和60% [F (6,1169) = 4.5， (p = 0.050)]、30% (p = 0.01)、15% (p = 0.003)和0% (p = 0.005)色度背景之间存在显著差异。在错误率方面（见图1B），被试在60% [F(6,1169) = 10.9]色度水平背景比90%色度背景(p = 0.001)、75%色度背景(p = 0.001)、45%色度背景(p = 0.001)、30%色度背景(p = 0.001)、15%色度背景(p = 0.001)和0%色度背景(p = 0.001)的被试犯的错误率要低得多。

图2. (A)VR背景色度对不同性别被试错误率的影响;(B)VR背景色度对不同性别被试反应时的影响;(C)VR背景色度对不同性别被试整体表现的影响。

图2(A) - (C)显示VR背景色度对不同性别被试唤醒度和兴奋性的影响。在90%、75%、60%和45%色度时，男性被试比女性被试犯更多的错误，反应更慢。在色度为30%、15%和0%时，男性被试的错误较少，反应时间也相对较快。在60%色度背景下的错误率[F (1,166) = 4.8， (p = 0.030)]，男性被试的错误率明显低于女性被试。因此，不同的色度背景对男性和女性被试有不同的影响。

图3. (A)VR背景色度对被试逻辑能力测试的反应时间;(B)VR背景色度对被试逻辑能力测试的错误率;(C) VR背景色度对被试逻辑思考能力测试的整体影响。

图3显示VR背景色度显著影响了被试的逻辑思维能力。在错误率方面，如图3(A)和(B)所示，与处于90% [F (6,385) = 2.853， (p = 0.050)]、75% (p = 0.003)、45% (p = 0.032)、15% (p = 0.001) 以及0% (p = 0.003)色度背景的被试相比，在60%色度背景下的被试犯的错误明显更少。在反应时间方面，75%色度和0%色度背景之间存在显著差异[F (6,385) = 1.447， (p = 0.005)]。结合错误率和反应时间(图3 (C))，被试在30%色度的背景下表现最好(最兴奋)。

图4. (A)VR背景色度对被试横向能力测试的反应时影响;(B)VR背景色度对被试横向能力测试的错误率影响;(C) VR背景色度被试横向能力的整体影响。

图4显示不同色度的VR背景显著影响了其横向思维能力。在错误率方面，与90% (p = 0.001)、75% (p = 0.001)、45% (p = 0.001)、30% (p = 0.001)、15% (p = 0.015)和0% (p = 0.001)色度背景相比，60%色度背景下被试的错误率显著降低[F (6,385) = 5.852， (p < 0.001)]。针对反应时间，被试在30%、15% (p = 0.001)和0% (p = 0.001)色度背景下反应最快，而在75%色度背景下反应最慢。结合错误率以及反应时间来看，60%和15%色度背景对被试的横向思维能力都存在高唤醒（HA）效应。75%的色度背景激发了被试横向思维能力的低唤醒（LA）状态。被试在45%和30%色度背景下经历了高兴奋（HI）状态；而在90%色度背景下的被试呈现低唤醒（LA）状态。

图5.(A)VR背景色度对被试细节能力测试的错误率影响(B) VR背景色度对被试细节能力测试的反应时影响;(C)VR背景色度对被试细节能力测试的整体影响。

图5(A)显示在错误率方面，被试在90%和0%色度背景下的错误率最高，在60%色度背景下的错误率较低。更具体地说，60% [F (6,385) = 5.852， (p < 0.001)]与90% (p = 0.001)、75% (p = 0.001)、45% (p = 0.001)、30% (p = 0.004)、15% (p = 0.001)和0% (p = 0.001)色度背景之间存在显著差异。图5（B）显示在反应时方面，被试在0%色度背景下反应最快，在75%色度背景下反应最慢。75% [F (6,385) = 4.360， (p < 0.001)]与60% (p = 0.036)、30% (p = 0.022)、15% (p = 0.010)和0% (p = 0.004)色度背景之间存在显著差异。图5(C)显示错误率-反应时整体情况，75%、60%、45%、30%和15%色度位于低兴奋性(LI)象限中；90%色度位于低唤醒（LA）和低兴奋性（LI）象限的边界，这表明90%的色度水平影响人们注意细节的能力。

3.2 亮度实验

图6.（A） VR背景亮度对被试错误率的影响;(B)VR背景亮度对被试反应时的影响;(C)VR背景亮度对被试整体表现的影响。

图6(C)结合错误率-反应时显示VR背景亮度对被试整体表现的影响，75%的亮度使被试处于高唤醒(HA)状态，反应时间最短，错误率最低。45%的亮度水平使被试处于低唤醒（LA）状态，反应时间最长，错误率相对较高；60%的亮度水平使被试表现出最高的兴奋性（HI）。在错误率方面(图6(A))，在75%亮度背景下，被试的错误率最少；在90%亮度背景下，被试的错误率最高。75% [F (3,572) = 4.648， (p < 0.003)]与90% (p = 0.001)、60% (p = 0.008)和45% (p = 0.008)亮度背景之间存在显著差异。在反应时间方面，图6(B)显示，在亮度为45%的背景下，被试反应最慢；在亮度为60%的背景下，被试反应最快。60% [F (3,572) = 1.703， (p = 0.165)]和45%亮度背景之间有显著性差异(p = 0.036)。

图7. (A) VR背景亮度对不同性别被试错误率的影响;(B)VR背景亮度对不同性别被试反应时的影响;(C)VR环境的背景亮度对不同性别被试整体表现的影响。

 图7(A)—(C)显示了VR背景亮度对不同性别被试唤醒度和兴奋性的影响。在亮度为90%时，男性和女性被试的反应都较慢，错误率相对较高。此外，在75%的亮度下，男性被试处于高兴奋性（HI）状态，而女性被试处于低兴奋性（LI）状态。

图8(A)VR背景亮度对被试逻辑能力测试的反应时间;(B)VR背景亮度对被试逻辑能力测试的错误率;(C) VR背景亮度对被试逻辑思考能力测试的整体影响。

图8反映了VR背景亮度对被试逻辑思考能力的影响。根据图8(A) - (C)，在90%和75%的亮度下，被试处于低唤醒（LA）状态，错误率相对较高，反应较慢。当亮度为45%时，被试的逻辑思维能力表现最佳(高唤醒HA)，错误率最低，反应时间最短。在45%亮度方面，被试的逻辑思维能力处于最低的兴奋性。

图9.(A)VR背景亮度对被试横向能力测试的反应时影响;(B)VR背景亮度对被试横向能力测试的错误率影响;(C) VR背景亮度被试横向能力的整体影响。

图9(A)-(B)显示，VR背景亮度对被试横向思维能力有一定影响。当亮度达到90%时，被试的兴奋性最低，反应时间最慢，错误率最高；在亮度为45%的背景下，被试的兴奋性最高，反应时间最短，错误率最低。此外，与60%亮度背景下的结果相比，75%亮度背景下被试的唤醒程度相对较低(图9(C))。

图10.(A)VR背景亮度对被试细节能力测试的错误率影响(B) VR背景亮度对被试细节能力测试的反应时影响;(C)VR背景亮度对被试细节能力测试的整体影响。

图10反映了VR背景亮度对被试细节关注能力的影响。在错误率方面(图10(A))，75%亮度背景[F (3,188) = 3.894， (p < 0.010)]，受试者的错误率明显低于90% (p = 0.012)、60% (p = 0.039)和45% (p = 0.001)亮度背景。在反应时方面(图10(B))， 75% [F (3,188) = 2.558， (p = 0.057)]的被试的反应明显快于45%亮度背景(p = 0.007)。结合错误率和反应时(图10(C))，在90%和45%亮度水平，被试经历了相对较低的唤醒状态。75%的亮度背景刺激了处于最高唤醒状态的被试，而45%的亮度背景刺激了处于最低唤醒状态的被试。

4.结论

本研究表明在沉浸式VR环境中，色度和亮度可以影响被试的逻辑和横向思维能力以及细节关注能力；并且这些认知差异也受性别影响。研究结果对色彩心理学和虚拟现实设计领域有重要贡献，增强了色彩属性(色度和亮度)对沉浸式VR环境中人们认知表现影响的理解。

文献信息

The effects of color attributes on cognitive performance and intellectual abilities in immersive virtual environments.

作者：

Guobin Xia, Phil Henry, Yun Chen, Francisco Queiroz, Stephen Westland, Qian Cheng

期刊:

Computers in Human Behavior

发表时间：

2023.07

DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chb.2023.107853