浸入式虚拟现实技术在心理学研究中的应用.doc

1、?-?Progress in Modern Biomedicine2006 VoL 6 No 371994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,http:/?052)?979-)?2004?13 67905344?P?neweidong ?neweidongtao ?(?2006-02-22?2006?3?28)。心理学。浸入式虚拟现实技术在心理学研究中的应用陶 维 东 孙 弘 进 陶 晓 丽 刘 强 吴 灵 丹 罗 文 波(西南大学心理学院 400715)摘要：文章简要介绍了虚

2、拟现实技术的概念、分类以及构建浸入式虚拟环境的方法。对采用浸入式虚拟现实技术在视 空间认知.知觉一运动的协调、心理治疗、土会心理学等领域取得的成果作了简要的评论。讨论了利用虚拟现实技术进行心理学 研究的一些独到的优点和局限性，并对未来的研究趋势进行了展望。关键词：虚拟现实技术；虚拟环境;心理学Application of Immersed Virtual RealityTechnology in Psychology StudyTAO Wei dong.SUN Hong jin，TAO Xiao IU LIU Qiang.WU Lin dan.LUO Wen boSchool of Psych

3、ology Southwest University 400715 ChinaABSTRACT：Iii this thesis the concept,classification VRT virtuaL reality tedinoLogy)andmetiod of creating virtualenvironment wTere introduced biiefLy.The positive resilts achieved by VRT in visual spatial(ognition perception a.ctiai，psychotherapyand social psych

4、ology were reviewed Some unique advantages and limitadaisin psychological study by making use f VRT were discussedand the further study in the future was forecasted.Key Words:Virtual Reality Technology;Virtual Enviraiment;Psychology引言心理学之所以能够脱离哲学母体，得益于其采用科学方法和技术研宄心理学。自从心理学成为一门独立学科以来，科学技术日新月异，不断地采用各领

5、域最新的技术研宄本门学科，促进本门学科的发展，己经成为各领域研宄人员的共识。当下心理学领域己经广泛地采用了各种新技术、新方法进行研宄，如事件相关电位（ERP)，功能性磁共振成像(MRI)等。虚拟现实技术理念是上个世纪 70 年代美国著名的计算 机学家IvanSutherland(1965)提出的.美国VPL公司的创始人 之一 JaronLanier于 80 年代初最先提出虚拟现实概念（Virtual Redity)近年来国外研宄人员纷纷利用虚拟现实技术（Virtual Reality Technology)研宄心理学，取得了丰硕的成果。在心 理学 研宄 中，利用 虚拟 现实 技术 创建 的虚

6、拟环 境（Virtual Environ-ment)不仅是对现实世界的复制、模拟和表征外部世界的革命 性变化，而且也是一种崭新的研宄工具和研宄范式。1 虚拟现实概述1.1 虚拟环境虚拟环境是与现实环境相对应的一个概念。Carr认为111 虚拟环境是指采用电子技术的手段，利用多种感觉通道输入 使人体验到一个或者一系列并非真实存在的场所。国内学者 潘志庚(2000)认为121虚拟环境代表着未来的、完全沉浸的交互界面。使用者感觉自己真实地存在于计算机生成的世界里，无论是看到的、听到的、还是感受到的，都与其在真实世界里 的体验并无差别，使用者可以以自然的方式与虚拟环境发生 交互作用。总之，虚拟环境是由

7、现代的电子计算机等技术手 段创立非真实存在的场所，这种环境一个关键特征是使用者 能够比较自然地与虚拟环境中的物体发生交互体验。沉浸度是衡量虚拟环境的一个重要的指标。沉浸感是指使用者感觉自己融合到虚拟环境中，相信他们自己正处于某个真实的环境中。正如Eills(1995)所说131数字计算机及其相 关技术的发展，己经涌现越来越多现实的人工产品，逐渐消除 了虚拟世界和现实世界表现手法的界限。这正说明了随着技 术的不断进步虚拟环境沉浸度在不断提高，所构造的环境与 真实世界的差异也越来越小。1.2 虚拟现实技术虚拟现实是高度发展的计算机技术在各种领域的应用过?Progress in Modern Bio

8、medicine2006 Vol 6 No.3?71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,http:/程中的结晶和反映，虚拟现实技术本身的研宄涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心 理学等学科虚拟现实技术是一门主要以计算机技术为主，综合利用计算机三维图形技术、模拟技术、传感技术、显示技术，生成一 个逼真的三维视觉、听觉、触觉以及嗅觉等感觉世界的综合技 米它的目标是形成沉浸度较高的虚拟环境。使用者利用头 盔显视器(HMD)数据手套、数据衣、力反

9、馈等传感设备，感知 和操作虚拟世界中的各种对象，实现与虚拟空间的实时交互，从而获得身临其境的感受。虚拟技术按沉浸度可分为非浸入 式、部分浸入式和完全浸入式，按其实现虚拟环境功能的高低 可分为：桌面式、浸入式、分布式和混合实现系统。桌面式虚 拟现实技术比较初级、功能比较简单，主要是视觉呈现，使用 者带上立体眼镜进行操作。其沉浸度不高，但成本较低，系统 也较容易实现。在心理学领域中可用于场景再认、记忆等领 域的研宄。浸入式虚拟现实技术是使用多感官浸入工具，如 视频头盔呈现系统，数据手套、声音、甚至嗅觉等，使用者几乎 完全沉浸在虚拟的环境中，拥有身临其境的感觉。这是目前 虚拟现实技术使用最广泛的种类

10、之一，也是心理学研宄主要 采纳的一种虚拟现实技术。它的沉浸感较高，价格 也比较昂 贵。分布式虚拟环境技术（distributedvirtual enviioriment简称 DVE)就是把浸入式虚拟环境OVE)和网络结合在一起，在网 络互联的计算机上同时运行虚拟环境系统的技术。混合实现 系统指将真实环境（如使用真实的驾驶座舱）和虚拟环境（驾 驶的环境是构造的，虚拟的）结合起来的一种系统，最常见的 是飞行员、驾驶员训练系统。在心理学研宄中常使用统混合 实现系统研宄司机的驾驶行为，知觉与运动的整合，以及人的 社会性。2.实现浸入式虚拟环境所需要的设备和方法根据研宄人员对虚拟环境沉浸度的要求和构造方

11、式不同，所使用的设备差别很大。一般说来有两种常见的方式构建浸入式虚拟环境。第一种是利用计算机、多个投影系统、多个扬声器等设备 构 建 虚 拟 环 境，即 洞 穴 式 虚 拟 现 实 系 统15116|(CaveAutomated Virtual Reality.CAVE)。它是一种利用多个立体投影设备，投 影屏幕相互环绕，使用者置身于立体投影机投影形成的三维 屋子（四周墙上、地板上、天花板上）里，并可以自由活动。借助 于其它传感设备，如数据手套，使用者可以从不同角度触摸、甚至改变虚拟环境中的物体，立体眼镜为使用者提供了立体 视觉。第二种是利用头盔呈现系统来实现虚拟环境。头盔系统呈现计算机构造的

12、环境，同时利用运动追踪装置提供头部或身体运动变化信息1716。运动追踪器主要测量使用者头部在物理环境中的位置变化。追踪器把收集到的信息实时传入电脑，电脑根据头部运动构建和改变图像。在任何时刻，头盔显 示器(HMD)呈现给使用者的图像或声音都是基于观察者头部 运动的位置而产生的。头盔显示器固定在使用者的头部。由 头盔呈现系统实现虚拟环境都能提供双眼视差、立体视觉、会 聚线索和网膜视差线索，它可以使观察者产生自我为中心的 深度知觉或者外部深度知觉。配合其它的输入设备，可以为 被试提供沉浸度较高的虚拟环境。以上讨论只涉及到了构建虚拟环境的硬件系统，系统顺利运行还需要专门的构建三维图像的软件。软件的编

13、写主要依据研宄的目的和内容。也可利用网络构建更为复杂的虚拟环境。3 当前利用虚拟现实技术在心理学研 究中的几个领域3.视空间认知领域空间认知是虚拟技术应用最广泛的领域之一。通过计算机产生三维的虚拟环境几乎与真实环境一样逼真，因此可以用来研宄人的空间认知。起初主要利用桌面式虚拟现实技术研宄人的空间认知，尽管桌面式虚拟现实技术所构建的虚拟环境有很多的局限性，如交互性不强、视野感觉区域不广等，但是它为被试提供了三维的立体视觉，所以仍不失为研宄空间表征的好工具。浸入式虚拟现实技术是在桌面式虚拟现实技术基础上发展起来的，它进一步解决了被试沉浸感不高的问题，增强了被试与环境的交互性。浸入式虚拟现实技术可以

14、实现准确的空间定位和实时交互，正是基于这些优点利用HMD 或 CAVE 系统构建的浸入式虚拟环境使得心理学研宄人 员可以在实验室内研宄距离知觉、大小知觉、场景再认、方位 知觉、导航等。利用虚拟现实技术构造的虚拟环境与现实环境还是有一些差异性的，这种差异是否大到影响实验的结果，众多的学者 对此进行了研宄。一种评价虚拟环境的方法就是复制出在实 验室的真实的物理空间中做的实验。Ruddle等人（1997)复制 了 Thorndyke等人(1982)在现实环境中做的拐角效应（Route Angularity Effect)实验，结果发现在虚拟的环境中得出了与真实 环境中相一致的结果。也有人比较了虚拟环

15、境中空间学习效 果与现实环境中学习效果的差异。Regian(1992)研宄发现，那些在虚拟大楼中经过训练的被试，与那些在同样的条件下，但在真实的大楼中学习的被试相比，两组被试的学习效果没 有差别。两组被试的学习效果都远远高于控制组被试。控制 组被试只呈现大楼的一系列照片。孙弘进（2004)181比较了在 现实环境，浸入式虚拟环境和地图三种学习条件下，被试对空 间方位判断的准确性。研宄结果表明通过地图学习或被动地 观察虚拟空间，被试的空间表征依赖朝向。而被试在虚拟环 境中或在现实的环境中行走(navigation)时，被试的空间表征独 立于朝向 1Waller(2004)分别利用现实环境，浸入式

16、虚拟环境、桌面式虚拟环境、静态视觉图像、传统的纸笔测试这五种方法 来评估被试方向估计的准确度和精确性。结果发现在现实的 环境、浸入式虚拟环境和桌面式虚拟环境中，被试方向性的评 估更加准确和精确。错误和不一致在前三种条件下，具有稳 定性。而在后两种条件下，被试的错误和不一致不具有相关 这也充分说明了虚拟现实系统构建的环境与真实的环境差异 较小|9。也有研宄表明，在虚拟环境中获得的空间知识可以成功迀移到真实的环境中。在一项研宄中，一群有运动障碍的学生在虚拟环境中体验学校的环境。随后把他们带到现实的学校环境中，相对于没有经过虚拟现实系统训练的被试来说，他 们更容易找到学校内某些目标的位置，指出的正确

17、率也有?Progress in Modern Biomedicine2006 Vol 6 No.30 71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,http:/所提高110。Peruch和Gaunet(1998)11在其综述中对利用虚拟现实技 术研宄人的空间认知能力进行了详细讲述并讨论了使用虚拟 现实技术研宄人的空间能力的优缺点。3.2 知觉一运动研究虚拟现实技术为视觉一运动研宄领域提供了极好的工具。人的穿越马路时，需要视觉与行动不断地校准。但是过去由于技术限制和从安全角度考虑

18、，研宄者只得采取一些替代的方法研宄人穿越马路，如录像法、计算机动画模拟，很少 让被试在实验情境中实际穿越马路，只能让被试估计，所得到 的结果并不能反映人真实的穿越马路行为。尽管Lee等人采 用自然观察方法研宄，但是自然观察法缺乏实验控制。也有 人利用真实的环境和真实的车辆研宄人的穿越行为，但是总 的说来都是不成功的。采用浸入式虚拟现实系统可以克服上 述方法学和操作上的问题，在虚拟环境中对车流、车辆的速 度、车辆与被试的距离操纵变得异常容易，并可以实现记录的 自动化。PLumert(2004)等人利用浸入式虚拟现实技术研宄了 在近乎真实的条件下儿童骑车穿越十字路口行为1 121。Simpon(2

19、003)等人同样利用浸入式虚拟现实技术研宄了儿童与成人 行走穿越马路的行为113。浸入式虚拟技术的确给被试较高的 临境感，但是，由于现实环境的干扰和被试猜测实验者的意 图，如何避免主试效应是虚拟现实技术研宄心理学的一个重 要问题。如在穿越马路行为的研宄中，被试有更多的冒险行 为，在现实中被试的穿越行为也许会更保守一些。利用虚拟现实技术为研宄视觉信息以及非视觉信息以及不同的视觉成分整合提供了一个很好的途径。例如在自然环境中，自身运动中的视觉信号和非视觉信号很难被分离和单独被控制。因而研宄视觉信号和非视觉信号共存时各个成份的相对重要性变得很困难。为了拆开不同感觉信息的耦合，孙弘进(2003)等人1

20、 141等人率先将虚拟现实技术引进到这个领 域，研宄了人在估计相对路径长度时的多感官整合。结果表 明人的本体感觉也可以提供路径长度信息，即被试积极地在 空间内行走，有助于提高视觉估计路径长度的准确性。但是利用虚拟现实技术研宄知觉一运动也有其局限性，如采用HMD系统构建的浸入式虚拟现实系统无法研宄近距离 范 围 内 的 空 间 知 觉。因 为，HMD双 眼 调 节 的(accommodation)的距离是固定的，所以和其它的一些距离线索难免会产生冲 突，如双眼会聚线索。所以，对近距离的物体会产生扭曲的距 离。同时这种冲突线索会干扰双眼视像融合。3.3 心理治疗研究中的应用己有的研宄表明，利用虚拟

21、现实技术创建虚拟环境逐渐地增加暴露程度，可以缓解被试的焦虑症，恐惧症、以及其它 一些精神疾病。VR技术出现之被，研宄人员就开始用于各类 恐惧症的治疗|151，比如，飞行恐惧症、恐高症等。从本质上来 说，虚拟现实暴露疗法是行为主义治疗方法的一种特殊形式。它主要为患者提供生动的暴露形式。因为虚拟现实技术整合 了计算机图形技术、身体运动追踪、视觉呈现系统和其它感官 输入系统。它可以让患者完全沉浸在虚拟的环境中，渐次暴 露患者所恐惧的事物，逐渐提高患者对恐惧的阈限，从而改善 患者的症状。目前，尽管也有人研宄1161认为虚拟情景下实施 的暴露疗法和在真实情境下实施暴露疗法具有相同的疗效，然而Krijn(

22、2005)在其综述117中认为虚拟现实暴露治疗可以有 效地治疗飞行恐惧症、恐高症，而对于其它形式的恐怖症的治 疗效果，从临床研宄的结果来看目前证据不够充分。虚拟环境中的暴露与在真实环境中暴露相比，采用虚拟环境治疗飞行恐怖症或恐高症，可以节约时间，以及保证了患 者的人身安全。但是虚拟现实疗法也有自己的不足之处。包 括成本、临床治疗人员操作虚拟现实技术的水平、虚拟现实技 术对某些人员的副效应、根据不同的病人做出不同的虚拟环 境、虚拟环境临近感的高低和对虚拟环境提供的系统脱敏效 果的客观测量等问题都制约着虚拟现实技术在心理治疗中的 应用1181。3.4 社会心理研究中的应用浸入式虚拟现实技术，为社会

23、心理学家提供了一个极具有生态效度的和近乎完美的实验控制的研宄工具。在以前的社会心理学研宄中一般采用观察法和现场研宄法，但是这些方法，几乎没有或很少有实验控制。当前社会心理学研宄领域中，有三个方法学的问题困绕着当前的研宄：实验控制与结果应用的普遍性权衡问题、可重复性问题和样本代表性问题。浸入式虚拟现实的出现，虽然不能完全解决这三大难题，但是 可以改善这一状况，完全可以作为社会心理学研宄的工具|191。浸入式虚拟现实技术，可以让研宄者对实验环境进行较为严 格的控制。可以控制虚拟人的外貌，行为，虚拟人的活动的环 境。保证了较好的生态效度，而又不失实验控制。Jeremy(2003)等人利用虚拟现实技术

24、研宄了人际距离。在研宄中，他们创建了虚拟人，操纵了被试的性别，虚拟人的 性别，虚拟人的注视行为等。研宄结果发现，与被试面对着现 实中的人相比，当被试面对着虚拟人时会保持着更大的距离。此外，当虚拟人侵入到被试的个人空间时，被试会移动得更 远1201。对于虚拟现实技术在社会心理学研宄领域中的应用，2002 在PsychologicaUnquiry上连续刊登了 7 篇文章讨论了虚拟现实 技术在社会心理学中的应用，心理学家对此进行了激烈的争 论，但是他们都认为虚拟现实技术研宄社会心理学是一个新 的范式。浸入式虚拟现实技术的确为提高社会认知研宄的内 部效度、构造效度和统计结果效度提供了一个有价值的工具。

25、社会认知研宄人员可以利用虚拟现实技术这一优势进行研 宄。此外虚拟现实技术除了应用于上述几个领域以外，还广泛应用于心理测量学、人类记忆等领域。比如，视觉空间能力 是人的智力一个基本组成部分，传统的测量方式是纸笔测试 任务，但是这种测量方式并不能真正测量出人的空间能力，只 是测量出人的空间能力的替代品或中介因素，所以测量的结 果不能够预测人在真实环境下的视觉空间能力。Allahyar(2003)在其综述1211中详细地论述了如何利用VR技术测量人的空间能力，认为利用VR技术测量出的视觉空间能力具有更高的可信度。以往文献表明视觉空间能力有较大的性别差 异，男性一般优于女性。Parsons(2004)

26、利用122虚拟现实技术 和传统的纸笔测量分别都研宄了心理旋转和空间旋转的性别 差?Progress in Modern Biomedicine2006 Vol 6 No.3?71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved,http:/异。结果发现，纸笔测试的结果支持了传统文献中的性别 差异，但是在虚拟的环境中，并没有发现被试的性别差异。Brooks等人(2004)利用虚拟现实技术研宄了脑中风病人的前瞻性记忆(prospective memory)发现脑中风病人的与事件相关和活动相

27、关的前瞻性记忆受到了严重的损伤。而与时间相关的前瞻性记忆损伤程度较低13|。而在现实条件下几乎无法真正对脑中风病人进行前瞻性记忆的研宄。4 利用虚拟现实技术研究心理学的优 缺点4.1 利用虚拟现实技术研究心理学的优点实验控制是科学研宄的必要条件。由于人类的高度心理复杂性，心理学实验控制往往显得尤为严格。不断地追求实验条件的精确控制由此也带来一些副作用，如实验的生态效度很差，实验结果难作进一步的普遍化等。实验控制和生态效度权衡问题一直困扰着心理学研宄人员，因而不得不在两者之间做出取舍。传统的心理学实验大多数都是在精心设计的、可控制的条件下进行实验的，为了达到对实验条件的精确 控制，不惜牺牲一些原

28、本对结果产生影响的条件。如早期关 于视觉感知研宄，最常用的设备是视速仪，它成功地实现了对 图片呈现时间的精确控制。但是，它付出的生态成本是很高 的，因为它并不符合人们日常的视觉感知特点，因为人们曰常 感知最多的是三维的空间。如果在完全真实的自然环境中进 行视觉感知方面的实验，则意味着，对实验的控制很难进行，包括对实验条件恒定、记录等。而利用虚拟现实技术可以较 好地改善了这对冲突问题，它既能保证实验在良好的控制条 件下进行，又使实验的生态效度达到最大化。因为通过计算 机构造虚拟环境，可对实验环境中的任何变量进行具体的量 化和记录，同时又能实现对真实环境的模拟和代替，所以，实 验结果具有较高的生态

29、效度。使用虚拟现实技术可以让研宄者操纵现实中很难操纵甚至无法操纵的变量|6。在自然环境中，很多变量之间是相互联系、密不可分的。因此，利用传统的方法，很难分开这两种 变量，单独地操纵它。如即将碰撞时间估计研宄(Tau效应）的 研宄，物体自我中心的距离和其视角大小是耦合的，这两者都 可以作为即将碰撞时间估计的线索，但是人利用哪种线索或 这两种线索利用的比重是多少，在现实中，很难研宄也很难拆 开这对耦合因素。而使用虚拟现实技术完全可以做到这一 点。在自然的状态下，人的多种感官大多数情况下也是耦合 的，利用虚拟现实技术既可以拆开耦合因素，也可以考察各感 官的相对权重|14。虚拟现实技术可以让研宄者构造

30、出实验所要求的任意环境，甚至自然界不存在的实验场景。一般来说，做场景再认和 其它空间知觉实验需要变化场景，虚拟现实技术创建的环境 能够实现快速地在各种实验场景之间变换。比如，在空间知 觉研宄领域，虚拟现实技术的应用有助于创建逼真的和众多 的场景。尽管我们的确可以在实验室中建造出实验研宄所需 要的环境但是，这样既费时又费资金。与此相对应，采用虚拟 呈现系统，通过软件可以创造出实验研宄所需的任意场景。浸入式虚拟现实技术还可以提供大量的实时的实验数据和实验结果分析，并且可以实现整个实验过程的自动化。虚拟环境是由计算机构造的，所构造的虚拟环境中的一切物体或对象在计算机里都可以记录，实时自动记录数据和分

31、析数据也只是编程的事情。4.2 利用虚拟现实技术研究心理学的局限性虚拟现实技术为解决实验控制和生态效度的矛盾提供了可能性，但是，把现实的实验室移植到虚拟世界中，必然有某 些因素或细节丧失，这本身也是生态效度的降低。虚拟现实 技术本身并不能完全解决实验控制与生态效度的矛盾，实验 生态效度的提高还有赖于虚拟现实硬件技术的提高和软件的 精心编制。三维图形的实时显示需要大量精确的计算，在实 际运行时可能会导致时滞问题，时滞的存在将会影响操作，因 为观察者不能有效利用先前动作的反馈来矫正其当前的动作。利用虚拟现实技术研宄心理学另一个不利之处，建立高质量的虚拟实验室有很大的困难，主在是技术代价比较昂贵。5

32、 展望虚拟现实技术是人类表征外部世界的革命性变化。过 去，多数认知方面的研宄只是在电脑的二维平面上呈现，虚拟 现实技术解决了三维呈现和模拟的难题。既保证较高的外部 效度，又具有较高的实验控制。浸入式虚拟现实技术的发展，进一步改善了外部效度与实验控制权衡的问题。由于浸入式虚拟现实技术具有良好的沉浸性、互动性和构想性，利用虚拟 现实技术构建三维研宄场景，实现对现实世界的模拟将更加 普遍应用于心理学的研宄当中，所得出的结论将更具有普遍 性意义。参 考 文 献1K.Carr R England Simulated and virtual realities：Elements ofperdeption

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45、ive memory using Virtualreality.J.Brain Jn-jury,2004 Vol 18(4):391?01(上接第57页）红枣还有较明显的抗惊厥作用。用甘麦红枣汤治疗情绪性惊厥 8 例(05 岁）结果表明，在 3 4 周内均发现有效果.研宄表明，甘麦红枣汤中的小麦和红枣的镇静作用与甘草的“缓和作用”相配合，可发挥更强的药效。由于该方剂的安定 作用及兴奋作用是既不引起患儿的睡意，又不降低其活动性 的情况下发挥的，故对婴儿是安全有效的|1U2。2.9 其 他 作 用中医认为，红枣味甘，性温。有补脾、益气生津、调营卫及 调和诸药的功能。用于脾虚食少、气血津液不足、体倦

46、乏力、营卫不和、心悸怔忡、妇女脏躁、紫癜等。总之，红枣作为我国的特色果品之一，她的保健功能是多 方面的，具有很高的营养价值。但笔者认为，红枣的功能是由 各种营养成分决定的，这些保健功能并不是单纯的一种营养 素决定，而是多种营养素综合作用的结果。因此，我们在研宄 红枣的功能时要各种成分同时考虑，对红枣内的各种营养物 质是如何一起产生作用的，是否有协同作用等都有待进一步 的研宄和探索。参 考 文 献1陈锦屏.红枣烘干技术 M .西安；陕西科学技术出版社,2000:1-132张向前，陈国梁.红枣愈伤组织化学成分的研究J.福建林业科技,25,32(2):43-453杨世平，孙润广，陈国良，等.红枣中营

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