基于商場購物行為對增強現實設備的人機界面設計研究

馬廣韜　劉博

摘要：通過調查沈陽部分商場的顧客，文章得到人們在購物時遇到的部分問題，并結合AR技術特點和人機工程學相關原理，針對這些問題建立符合人機要求的解決方案，使其能更完善地應用于人們日常生活中，解決人們在商場購物時所遇到的部分問題。

關鍵詞：增強現實 商場購物 HMD 人機界面

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）01-0135-04

引言

隨著社會的發展，工業化、信息化水平的不斷提高，人們的購物理念也發生了變化，有很多人都嘗試了快捷、高效的網絡購物方式，不過傳統的商場購物卻仍然非常受消費者歡迎。據美國疾控中心建議，逛商場對人們的身心健康是有所幫助的，商場購物不受天氣影響，光線充足，路面平坦，一些商場還有休息的座椅，即使是老年人也不會感到不適。但是，人們在逛商場的同時也遭遇到了一系列的麻煩，例如停車難、尋找貨物難或者忘記停車位置等。在面對這些問題時，我們要求助他人？還是自己費力尋找呢？

一、消費者的分類及場所劃分

消費者的購買行為是簡單的又是復雜的，因消費者的定位很難統一，消費所涉及到的人或者家庭或者某種團體，人數眾多。而且影響消費者消費的因素也很多，諸如：年紀、性別、職業、社會背景和信仰等。基于本文的研究課題，消費者可分為4類：購買目的性很強的消費者；陪同購物消費者；漫無目的的消費者和混合類型消費者。

針對本文的研究范圍將消費場所劃定在購物中心類別上。按照其定位檔次分類可分為：以高檔商品為主；以中高檔商品為主；以中低檔商品為主。

（一）以高檔商品為主的購物中心，如香港時代廣場、上海恒隆廣場、沈陽大悅城等。高檔商品要占經營商品比例的70%以上，面積一般為24萬平方米以上（圖1，2）。

（二）以中高檔商品為主的購物中心，如沈陽皇城66恒隆廣場、沈陽萬象城等，一般有10-24萬平方米左右（圖3，4）。

（三）以中低檔商品為主的購物中心，如馬尼拉EVER摩爾。但是對于低檔商品的比例也是有要求的，低檔商品不能超過經營產品的60%，否則其就稱不上是購物中心。

本文以沈陽市府恒隆廣場和沈陽萬象城為例調查了沈陽的部分消費者，針對消費者所提出的問題進行了分析。

二、增強現實技術

（一）增強現實技術的定義和發展

增強現實（AR）是從一個相對普遍的概念——介導現實衍生出來的，它通過直接或間接的物理元素來增強現實環境（或補充），如聲音、視頻、圖形或GPS數據等的計算機應用技術。隨著AR技術的提高，（例如增加目標識別和計算機視覺）AR設備記錄下周圍用戶對環境和觀察對象的互動和數字化操縱，并編碼成可以覆蓋在現實世界之上的實時信息。2012年是一個關鍵的時間節點，美國Google公司發布的Google Glass（GG）是全球第一款真正意義上實現AR技術的硬件設備。2016年，被定義為AR/VR的元年，在這一年當中，這兩項技術被預期為全面爆發的一年。

（二）增強現實技術的應用實例

AR不單單在與VR相同的應用領域，諸如尖端武器和飛行器的研制與開發、數字模型的可視化、模擬訓練、游戲、藝術和教育等領域都具有一定范圍的應用，更重要的是因其具備對真實世界可進行擴充顯示輸出的特點，在醫學研究與模擬解剖、精密儀器制造和維修、藝術設計和工程設計等領域，具有比VR技術更加顯著的優勢。

（三）增強現實技術的技術支持和理論支持

AR的基礎技術大體上可分為5個方面：（1）攝像技術，真實的場景圖像的獲取；（2）圖像合成，圖像最后的融合；（3）顯示技術，顯示器設備的顯示，目前的AR設備是通過視覺和計算機透視投射在人眼可見的顯示屏上；（4）虛擬數據庫，3D虛擬對象的數據庫，包含了在顯示屏上顯示的所有內容；（5）渲染技術，實時3D轉換和渲染等環節，投射在屏幕上的虛擬內容會結合周圍環境進行實時渲染，達到逼真的效果。AR系統會通過攝像頭以及圖像合成技術來提醒用戶360°的安全信息。顯示設備可分為手持數據PDA式，可穿戴式HMD式和手持定點觀察式三種顯示展示方式。其中本文選擇可穿戴頭盔式AR顯示界面，為研究方向。

AR技術是一種信息穿透技術，它將生理學，人機工程學和認知學作為物理性的理論基礎，將心理學和美學作為影響用戶精神層面的理論基礎。

三、人機工程學對增強現實設備的理論分析

（一）人的感知響應過程與人機系統

人因接收到外界的信息而做出一定的反應，這一過程叫作人的感知響應過程。人的感知響應過程是有先后順序的，依次為：感覺器官→傳入神經→大腦皮層→傳出神經→運動器官。

圖5中眼耳、大腦、手腳組成了人的感知響應過程；顯示器、機器、控制機組成了人機界面；眼耳和顯示器組成了顯示裝置，手腳和控制器組成了操縱裝置。

（二）人的視覺特性

1.視野

人的視覺特性可分為視野及視區。視野又細分為直接視野、眼動視野和觀察視野三種。三種視野的最佳值之間有以下簡單關系：

眼動視野最佳值=直接視野最佳值+眼球可輕松偏轉的角度（頭部不動）

觀察視野最佳值=眼動視野最佳值+頭部可輕松偏轉的角度（軀干不動）各視野的具體范圍如圖所示

2.人體尺寸的百分位數的選擇

針對AR眼鏡而言，成像是將虛擬信息素材投射到透明的顯示器上，該顯示器的尺寸是根據眼動視野的范圍和頭寬確定的，并根據GB/T10000-1988中國成年人人體尺寸，可知AR設備為可穿戴式HMD設備，AR眼鏡是固定在人體頭部上的，但設計顯示界面的菜單頁面時，還是要考慮到頭部偏轉的范圍的。依照GB/T10000-1988和GB/T12985-1991在產品設計中應用人體尺寸百分位數的通則，我們可知頭最大寬度、頭最大長度和針對該產品的人體百分位數的選擇，具體如下：endprint

眼鏡屬于成年男女通用Ⅲ型產品，所以該產品選取的百分位數應為[P50（男）+P50（女）]2，作為產品尺寸設計的依據。

3.顯示界面尺寸的選擇

按照測量結果勾劃頭部近似圖形，如圖9N示：

圖9中黃色邊緣為頭部近似圖形，藍色區域為最佳眼動視野的范圍，紅色圓是為了計算方便所畫的近似圖形，粉色的圓弧長度為顯示界面的長度。再根據弧長公式：

公式描述：公式中n是圓心角度數，r是半徑，l為弧長。

I=nπr÷180

可得在水平眼動視野60°范圍內的顯示設備尺寸，結合文獻的主要內容，可知眼鏡和眼球的最佳水平距離約為12毫米（mm）。參考最佳眼動視野范圍，經計算得出該設備的顯示界面水平最大尺寸約為201毫米（mm），鉛垂方向的最大尺寸約為16246毫米（mm）。但考慮設備自身局限，尺寸可酌情處理。

4.色覺視野

色覺視野簡稱色視野。由于人眼對不同顏色的感覺刺激不同，所以色覺視野也不盡相同。

如10圖所示，對白色的視野最大，黃色、藍色，紅色依次遞減，綠色視野最小。針對AR設備的顯示界面的設計，色視野體現為指示線、標識及數字的色彩區分。依照色視野的特性并結合Pantone色卡標準，選用白色、綠色（802C）、藍色（7460C）、紅色（812C）作為主要的色彩參考。

按對物體的辨認效果，即辨認的清晰程度和辨認速度。如表2的數據中所示，中心視區，即人瞬時注視、瞬時能清晰辨別形體的范圍是很小的，在水平和鉛垂方向上都只有1.5°～3°而已。

5.視角及視距對增強現實顯示界面的影響

視角，是指被視對象上兩端點到眼球瞳孔中心的兩條視線間的夾角。D是被視對象上兩端點間的距離，L是眼睛到被視對象之間的距離，稱為視距，a即為視角。如圖11所示，D，L，a的關系式為：

理論上，人眼是可以觀察到無限遠的物體的。但一個物體，放在遠處看不清，移近后就能看清楚了，這說明，能否看清物體，并不取決于物體的尺寸本身，而取決于它對應的視角。顯示界面的設計應在最佳的直接視野區域內留出更多的空白，避免干擾人的正常觀察，造成安全問題。

6.目光巡視特性

目光巡視是指人眼能在瞬時看清范圍很小的物體，所以人們觀察事物時多依賴目光的巡視。目光巡視的特點主要有：1）目光巡視的習慣方向為水平方向：從左向右；垂直方向：從上到下；旋轉巡視：順時針方向。目光巡視多為跳躍的，而非連續地巡視。2）視線水平方向移動要快于鉛垂方向，且不易疲勞；對于水平方向上的尺寸比例評估要比鉛垂方向快，且準確。3）雙眼單視。4）視野中不同區域的視覺感知快慢不同，如圖12所示：

一般來說，右下象限感知快，左下象限次之，右上象限再次之，左上象限感知慢。當雙眼焦點偏離視覺中心時，假設偏離距離相等的情況下，眼睛對左上象限的觀察效果最優，次一級的觀察效果依次是右上象限、左下象限、右下象限。在視覺感知區域內，顯示界面的各部分功能界面就要根據此理論合理設計。

四、增強現實設備在商場購物中的具體應用

（一）AR設備的功能分類

道路指引

道路指引是通過色彩和方向導示圖標來指引用戶到達目的地的。

商品定位

商品定位是通過商家對商品的位置信息進行存檔，使消費者可以在自身佩戴的設備中清晰辨認出商品分區。此功能還可以幫助用于尋找閑置車位（圖13，14）。

商品信息

商品信息是由制造商提供的包含商品演示、技術指標和社區互動等信息的立體影像（圖15）。

失物記號

失物記號具有物品遺落提醒和物品離開用戶提醒功能。AR設備會掃描下物品的信息并標記，使遺失的物品可以在用戶視野中高亮顯示。此功能也適用于尋車（圖16）。

消息推送

消息推送功能會將商家的活動信息和各個商場的同類商品進行比較，給用戶自主選擇的權利。

（二）AR設備在商場中所考慮的環境因素

1.照度

商場中的燈光照度是有明確規定的，所以作為環境因素來考慮時，可以以此為背景光來選擇AR設備的顯示亮度及色彩對比度。通常的顯示屏為LCD顯示器，其亮度的比值為1000：1。含義為屏幕中最亮的部分照度為500cd/m²，其最暗部分的照度為0.5cd/m²。而為了適應多種光照環境的需要，AR設備的顯示屏采用OLED顯示器，亮度比值為10000：1可以確保顯示屏在任何條件下都可以被用戶看清楚。

2.噪音

商場中的噪音環境是一個非常必要的環境因素，噪音是由于商場內部電器運作時所發出的聲響，必要的噪聲可以使人在工作時提高效率，減少人與人之間的干擾，保護個人隱私等。AR設備是具有語音提示功能的，所以考慮噪音環境的同時，要確保AR設備語音的清晰準確傳達。為了使語音功能在不同噪音場內可以順利工作，所以選用了女性聲音的振動頻率作為指導語音。

五、結論

HMD型AR設備是一種新型的AR設備，它將成為目前AR眼鏡的新一代產品。以Google Glass為例，HMD的顯示區域比較開闊，更符合人的觀察習慣，而HHMD設備的外形與普通眼鏡外形基本一致。該論文主要研究內容是建立在商場購物行為的基礎上的AR界面設計，內容總結如下：

（一）以沈陽市府恒隆廣場和沈陽萬象城為例展開的設計調查。調查方法包括實地走訪、網絡信息搜集、采訪消費者以及實地拍攝等，總結消費者所遇到的問題；

（二）選取HMD型的AR設備作為設計對象，其原因為HMD型AR設備為Google公司下一代的AR設備類型，目前還在產品開發中，HMD型AR設備可以代表未來幾年的AR設備發展趨勢，所以具有一定的現實意義；

（三）結合人機工程學的理論知識研究了AR設備的尺寸選擇、成像原理、顯示屏的選擇和顯示空間布局等內容，得出HMD型AR設備的基礎資料；

最后，以人機工程學的相關原理作為理論基礎，建立商場購物環境下，AR設備顯示界面的雛形，更形象地體現人機工程學原理的應用。HMD型AR設備的設計需要多學科之間的融合，需要應用到多學科的知識，作為一種新型現代顯示設備，雖然目前還處于技術開發階段，未能實現普及，但隨著各個領域的精英不斷研究，未來的AR設備一定會實現舒適、健康、安全、高效的目標。endprint