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Räumliche Wahrnehmung in virtuellen Umgebungen

Virtuelle Umgebungen können unterschiedliche Sinnesorgane mit Informationen über physikalisch nicht anwesende Objektkonfigurationen reizen. Insbesondere lassen sich nicht existierende oder unzugängliche physikalische Räume simulieren.

Navigation in (virtuellen) Umgebungen

Wissen zur räumlichen Orientierung kann auf zwei verschiedene Arten vorliegen:

: Routenwissen wird durch aktives Navigieren erworben und ist eher prozeduraler Natur, es beinhaltet beispielsweise Landmarken und die zwischen diesen liegenden Wege.
: Übersichtswissen kann aus Landkarten oder verbalen Beschreibungen generiert werden, zur Planung von Navigationsschritten muß es erst in Routenwissen transformiert werden.

Ein Problem bei der Verwendung von Landkarten ist deren richtige Orientierung (alignment problem): Eine richtige Orientierung liegt vor, wenn ``oben'' auch ``weiter vorne'' bedeutet. Wird diese Art der Orientierung nicht eingehalten, dann entsteht ein höherer Aufwand beim Navigieren (cf. May, Peruch & Savoyant, 1995). Wenn vorhandenes Übersichtswissen eingesetzt werden soll, muß es erst von einem exozentrischem Bezugssystem in ein egozentrisches transformiert werden. Dementsprechend definieren May et al. (1995) Navigieren als zusammengesetzte Serie von solchen Transformationen und Rotationen innerhalb eines egozentrisch organisierten Raumes.

May et al. (1995) untersuchen die Auswirkung von misalignment (verdrehten Karten) und von der Repräsentationsart (Landkarte vs. Navigation in virtueller Realität) auf Genauigkeit und Zeitaufwand beim zielgerichteten Navigieren. Sowohl die Genauigkeit als auch die Geschwindigkeit der Navigation lassen bei zunehmendem misalignment nach. Falsche Anordnungen wirken sich also sowohl bei räumlichem Wissen aus, das über Landkarten erworben wird, als auch bei Routenwissen, das durch aktives Navigieren zustandekommt. Dieser Befund steht auch mit den Theorien zur mentalen Rotation in Einklang: Die Verschlechterung ist direkt proportional zum Grad der Verdrehung.

Erlernen von Routenwissen

Eine interessante Frage im Zusammenhang mit der Navigation in virtuellen Umgebungen ist, welcher Transfer des in virtuellen Umgebungen erworbenen Wissens auf reale Umgebungen nachweisbar ist. Beim Erwerb motorischer Fertigkeiten läßt sich teilweise kein Transfer auf reale Situationen nachweisen, vermutlich weil in der (virtuellen) Lernsituation kein geeignetes Feedback gegeben wurde. In anderen Untersuchungen (Helikopter-Training oder Brandbekämpfung) konnte dagegen schon ein Transfer nachgewiesen werden (cf. Witmer, Bailey, Knerr & Parsons, 1996).

Der Erwerb von Routenwissen in der realen Welt beginnt bei Landmarken, die dann über aktiv besuchte Wege miteinander verbunden werden. Man kann Routenwissen als das prozedurale Wissen darüber betrachten, wie man von einem Ausgangsort erfolgreich zu einem Bestimmungsort gelangen kann. Es setzt sich aus expliziten Repräsentationen derjenigen Punkte auf der Strecke zusammen, an denen abgezweigt werden muß, und dem Winkel solcher Abzweigungen. Die Schwierigkeit beim Erlernen einer Route hängt ab von

der Länge des Weges,
der Anzahl der Richtungswechsel und
der Anzahl an Alternativen an jedem Wahlpunkt.

Normalerweise werden Routen durch aktives Explorieren erlernt, aber auch symbolische Medien wie Landkarten oder verbale Wegbeschreibungen können hierbei förderlich sein. Nach genügender Erfahrung im aktiven Navigieren in einer Umgebung oder mit Hilfe von Landkarten bildet sich nach Witmer at al. (1996) eine Gesamtgestalt des Gebäudes oder der Stadt heraus, die die Relation verschiedener Orte zueinander enthält (und nicht nur paarweise Zuordnungen).

Beim Erwerb von Routenwissen lassen sich verschiedene Kategorien unterscheiden, die wiederum auf unterschiedliche Art erhoben werden können:

: Wissen über Landmarken kann durch freien Abruf oder Wiedererkennen dieser überprüft werden;
: Wissen über Routen läßt sich feststellen durch verbale Wegbeschreibungen, die Anzahl falsch gewählter Abzweigungen, die Anzahl von rückgängig gemachten Schritten, das Abkommen vom Weg (bzw. die Anzahl der Personen, bei denen dies geschieht), das Anordnen von Fotos von Routensegmenten oder Landmarken in der richtigen Reihenfolge usw.
: Konfigurationswissen wird meist durch Zeichnen einer Landkarte erhoben (allerdings ist das Ergebnis schwierig zu interpretieren).

Erwerb von Wissen über virtuelle Räume

Die zur Zeit verfügbaren Systeme zur Erzeugung virtueller Umgebungen weisen nach Witmer et al. (1996) verschiedene technische Mängel auf, die den Erwerb von Routenwissen beeinträchtigen können:

Wegen der begrenzten Auflösung lassen sich (räumliche) Tiefenkriterien nicht gut wahrnehmen.
Wegen des begrenzten Sichtfelds kann immer nur ein kleiner Teilausschnitt wahrgenommen werden. Dies führt einerseits zu höherer kognitiver Belastung durch das Navigieren und andererseits auch dazu, daß oft mit Objekten kollidiert wird (dann fällt eine Reorientierung besonders schwer).
Selbst bei aktivem Navigieren fehlt meist das propriozeptive Feedback, da nur mit einem relativ kleinen Eingabegerät gesteuert wird (dadurch läßt sich beispielsweise die Länge einer zurückgelegten Westrecke schlechter abschätzen).
Die Symptome der ``Simulatorkrankheit'' (Übelkeit, Kopfschmerz, Augenbelastung, Desorientierung) können den Lernerwerb ebenfalls beeinträchtigen.

Andererseits kann aber das Gefühl der Immersion eine höhere Konzentration auf die jeweilige Aufgabe erzielen, wobei gleichzeitig weniger Ablenkungsquellen möglich sind.

Die Untersuchung von Witmer et al. (1996)

Witmer et al. (1996) vergleichen drei verschiedene Arten des Erwerbs von Navigationswissen für ein großes Gebäude

symbolisches Rehearsal (mit Fotos der Landmarken und verbalen Wegbeschreibungen);
Training in einer virtuellen Umgebung (möbliert, dreidimensional, zweifarbig, sehr hohe Auflösung, Kopfbewegungen werden berücksichtigt);
Training im realen Gebäude.

Ein Teil der Versuchspersonen kann außerdem eine Landkarte des Gebäudes studieren. Der Versuch gliedert sich in eine Studienphase (schriftliche Instruktionen, Fotos, usw., gegebenenfalls auch Landkarten), eine Rehearsal-Phase (dreimaliges Wiederholen der Route anhand von Landmarken oder Begehen in virtueller/realer Umgebung) und eine Transfer-Phase (die gelernte Route sollte im realen Gebäude in der anderen Richtung abgegangen werden). Als abhängige Variablen erheben sie die tatsächlich im Gebäude zurückgelegte Strecke und die dafür benötigte Zeit sowie Schätzungen der Entfernungen zwischen markanten Punkten.

Das Erlernen der Routen fällt zu Beginn in der Bedingung ``virtuelle Umgebung'' besonders schwer, es zeigt sich aber eine rasche Besserung (bezüglich der Fehler und der für einen Rehearsal benötigten Zeit). Dies wird mit Schwierigkeiten bei der Navigation in der virtuellen Umgebung begründet (insbesondere Kollisionen mit Wänden). Die beiden anderen Gruppen - reale Begehung und symbolisches Erlernen - unterscheiden sich kaum. Es ergab sich eine positive Korrelation zwischen der zum Erlernen benötigten Zeit und Schwierigkeiten beim Transfer.

Bei dem Trainingstransfer ergibt sich ein deutlicher Haupteffekt der Präsentationsmethode: Am besten ist das Training in der realen Umgebung, das Training in der virtuellen Umgebung ist annähernd gleich effizient und das rein symbolische Training ist deutlich unterlegen (jeweils bezüglich der Zeiten und der Fehler). Das Erlernen der Konfiguration wird dagegen nicht von der Präsentationsart beeinflußt.

Als Fazit ergibt sich, daß Training in virtuellen Umgebungen fast genauso effizient sein kann wie Training in realen Umgebungen. Eine gewisse Steigerung wäre sogar noch durch größere Kompetenz im Umgang mit den Navigationsmöglichkeiten in virtuellen Umgebungen möglich. Neben militärischen Anwendungen diskutieren Witmer et al. (1996) auch Anwendungen im Katastrophenschutz und bei der Planung von Fluchtwegen.