虛擬騎行中的三種導航界面的體驗度量

姜立軍，李建余，李哲林，吳章鴻，張 瑜

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虛擬騎行中的三種導航界面的體驗度量

姜立軍1,2，李建余1，李哲林1,2，吳章鴻1，張 瑜1

(1. 華南理工大學設計學院，廣東 廣州 510000；2. 廣東省人機交互設計工程技術研究中心，廣東 廣州 510000)

相關研究顯示，大部分用戶在虛擬現實中會遇到導航困難，而目前對導航方式的研究仍十分稀缺。為此，以沉浸式虛擬騎行為例，對不同導航界面(地圖、提示圖標、尋路光帶)的用戶體驗進行了度量，包括效率、滿意度、易學性等。試驗對象在虛擬環境里沿著場景里的路徑騎行到達終點，在此過程中記錄被試的時間、碰撞數等，以此量化用戶體驗的各要素。實驗結果表明：提示圖標導航方式一定程度上能提高虛擬騎行的效率，但不夠顯著，更重要的是會顯著降低用戶對虛擬場景的感知度；用戶使用尋路光帶導航方式執行任務時，易用性和易學性方面有顯著的提升；使用地圖導航的體驗與無導航時的體驗相差不大。

虛擬現實；虛擬騎行；導航；導航界面；用戶體驗

相對于現實環境，虛擬環境沒有提供足夠豐富的距離、運動和方向等線索，所以用戶在虛擬現實場景中的交互會顯得比較困難[1]。導航是虛擬環境中一種比較核心的交互方式，用戶必須利用在虛擬環境中獲得的空間認知來規劃其行動，并以此形成一幅認知地圖。然而，20%~30%的用戶在導航中都會遇到困難[2]。

虛擬現實中的導航問題很早就受到了學者們的關注，1997年BOWMAN等[3]提出了導航任務的分類框架；1999年BOWMAN等[4-5]再次分別探索了不同導航技術對空間方向認知的影響，以及6種交互技術在導航任務中的效率。ZHAI等[6]設計出一款名為“Magic Carpet”的基于現實世界隱喻(推土機)的雙重操縱導航界面。PINHO等[7]提出了名為“virtual bike”的設備，用戶可以在虛擬環境中進行導航，就像騎著真正的自行車一樣。JANG等[8]使用了全身運動的方式設計了一個名為“G-Bar”的輸入界面，明顯地提高用戶的臨場感，并且任務性能(完成時間和碰撞次數)與熟悉的鍵盤界面相一致。BIOCCA等[9]設計了一個名為“Attention Funnel”的虛擬界面，可將用戶的注意力引導到任何對象(人或地點)。該技術利用動態感知能力吸引用戶注意下一個“漏斗”到目標位置，使用戶搜索的一致性提高了65%，搜索速度提高了22%。TEIXIRA等[10]發現操控桿執行導航任務時比平衡板更高效。KOPCIAK[11]列舉了一些虛擬現實中的導航方式，包括Path following、Map、Bread Crumbs和Out-of-Body等。

上述研究大多致力于開發一種新的用戶界面技術以及對其可用性評估，而這些界面都是在硬件層面的創新，對軟件層面導航界面的研究比較少，對用戶體驗的影響仍待進一步驗證。為此，本文以虛擬騎行為例，選取電腦3D游戲中最具代表性而且差異最大的3種導航界面應用于虛擬場景，進行體驗度量研究，分析其是否能為用戶在虛擬現實應用中帶來更好的體驗。

1 設計和評價框架

1.1 導航任務的分類

導航任務可以大致地分為3種類型：探索、搜索和操縱[1]。探索任務沒有明確目的地，用戶只是純粹地視察環境；搜索任務包含一個特定目的地，但達到目的地的路徑不確定，用戶需要尋找和分辨能通往目的地的路徑；操縱任務，即用戶對目的地和路徑都明確，通常可被描述為一種短范圍、高精度的移動。操縱任務常見于競速類電腦游戲，用戶在單一路徑的場景下執行任務，任務目標單一，通常為到達某個目的地。搜索和探索任務常見于角色扮演類或沙盒類游戲，用戶均在無特定路徑的場景下執行任務，不同點在于：搜索的目的性更強，而探索的任務目標則非常多樣且因人而異。

1.2 界面

1.2.1 界面參考系

在虛擬現實中，頭戴式顯示器(Head-mounted Display，HMD)是最為主要的顯示設備，能夠讓用戶完全沉浸于虛擬環境當中，感受不到屏幕的存在。因此，在虛擬現實中的圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)已經很難再以屏幕作為參考系，取而代之的是其他更多的選擇。不同參考系的界面會帶來不同的用戶體驗。將界面放置在適當的參考系中對于可用性和舒適性非常重要[12]。通常，虛擬現實應用中的參考系主要有：①以頭部作為參考系，即界面跟隨用戶的頭部運動；②以軀干作為參考系，界面隨著身體旋轉和平移，用戶可以利用身體感受感知，適合與身體相關的工具；③以虛擬世界作為參考系，有利于玩家對地理位置和方向的思考、大范圍導航和建立對虛擬世界的認知地圖[12]。

1.2.2 導航界面分類

經過對市面的各類虛擬產品調查發現，虛擬場景中的導航界面在電腦游戲里應用最廣泛，其中最常見的導航形式如圖1所示。

圖1 常見游戲導航方式

地圖導航方式(圖1(a))能顯示玩家所在的位置和周邊的環境；尋路光帶導航方式在路面上描繪一條發光的路徑為用戶提供視覺線索(圖1(b))；提示圖標導航方式(圖1(c))在場景中標有彎道的信息，提示用戶彎道的情況；實物路牌(圖1(d))是與現實世界最接近的導航方式；虛擬地標(圖1(e))導航方式通過標記出最終目的地位置，使得無論用戶在何處都可以找到這標記；浮動圖標導航方式(圖1(f))將圖標一直浮動在屏幕邊緣，以此隱喻目的地方向。尋路光帶、提示圖標和實物路牌導航方式常見于競速類游戲，即操縱任務；虛擬地標和浮動圖標導航方式常見于角色扮演類游戲，即探索或搜索任務；地圖導航方式在各類游戲中都非常常見，適用于各類導航任務。

本文參照圖1所示的電腦游戲導航方式，提出適用于虛擬騎行的不同導航界面，研究不同導航界面中的用戶體驗。實物路牌、虛擬地標和尋路光帶屬于以虛擬世界為參考系的界面，浮動圖標與提示圖標屬于以頭部為參考系的界面，其差異性不大，所以本文將選取地圖、尋路光帶和提示圖標作為研究對象，為了讓3種界面的相對位置更契合各自特征，同時體現差異性，因此將其匹配到不同的界面參考系：地圖以軀干為參考系；尋路光帶以世界為參考系；提示圖標以頭部為參考系。

1.3 體驗要素

效率、滿意度、易學性、易用性是交互任務中經常被討論的體驗要素[13]。本文聚焦于用戶在導航過程中的騎行體驗。對于虛擬現實應用而言，環境感知度和臨場感是比較重要的屬性，是在虛擬現實中重要的體驗要素[3]。因此，本文所指導航中的體驗要素定義為以下幾種：①效率，用戶完成指定任務所消耗的時間，完成相同任務所需時間越短證明效率越高；②滿意度，用戶對導航方式的滿意程度；③易學性，用戶適應導航任務的快慢程度；④易用性，用戶執行導航任務的難易程度；⑤環境感知度，用戶能感知場景物體的程度；⑥臨場感，用戶覺得自己身臨其境的程度。

2 實驗

2.1 測試系統

2.1.1 硬件設備

硬件組成包括：運行Microsoft Windows 7 操作系統Intel i7處理器的PC，Oculus DK2 HMD頭盔。使用NVIDIA GeForce GTX 1050顯卡實現場景渲染。該卡具有兩個視頻輸出，可同時連接液晶顯示器和HMD頭盔，實驗人員可實時監控用戶在虛擬環境中的操作。

本實驗的輸入設備是一臺經過改裝的自行車(圖2)，能提供阻力來模擬上下坡騎行阻力。用戶通過真實騎行來控制虛擬場景。騎行過程中的車頭轉向角度、車輪轉速實時傳送給測試系統。為了避免個體速度差異帶來的誤差，設備設有極限速度(5 m/s，中速騎行的速度)，即被試的速度達到5 m/s后，虛擬騎行速度不會再增加。

圖2 實驗的硬件設備

2.1.2 虛擬環境

本實驗的虛擬環境是一個開闊的草地，草地上設有唯一道路讓用戶騎行(圖3(a))，該道路涵蓋了45°、90°、135°、180°的彎道，足以模擬常見的真實道路形態。道路兩旁設有透明墻壁，道路上設有障礙物和圍欄。在虛擬現實中碰撞會產生強烈的眩暈，所以當虛擬自行車與路面的障礙物、圍欄或透明墻接觸時，不會產生物理碰撞，但系統會記錄此碰撞信息并且發出警告音。另外，虛擬環境上設有特征物體(吸引注意而且外觀獨特的物體)，物體上方標有數字(圖3(b))。虛擬場景的路線圖如圖3(c)所示，19個障礙物隨機分布于道路邊緣，6個特征物體隨機分布于道路兩旁。

2.2 任務

本次實驗將聚焦于導航中的操縱任務。實驗要求被試者沿著虛擬環境中的道路騎行到終點。每次騎行大概需要2.5 min，執行3次，每次任務后可以休息一段時間。被試者需要盡量避免與環境上的物體和道路兩旁的透明墻發生碰撞，并以最短的時間完成任務。每次任務后，需要回答有否發現特征物體并復述物體上面的數字。

2.3 假設

本實驗將以無導航界面時的騎行體驗為基準，與增加導航界面后的騎行體驗進行比較。實驗假設如下：與沒有導航界面相比，使用導航界面對騎行體驗(效率、滿意度、易學性、易用性、環境感知度、臨場感)有顯著的提升(H0)。此外，基于3種導航界面具有不同的特性，本實驗進一步提出假設：3種導航界面能帶來不一樣的體驗(H1)；尋路光帶的形式最直觀，所以尋路光帶的導航效率最高(H1.1)；地圖的導航形式最常見、所以地圖在易學性和易用性上會更勝一籌(H1.2)；提示圖標能很好地引起用戶注意，所以提示圖標能讓用戶在轉彎時有更好的表現(H1.3)。本實驗將不考慮幾個界面組合使用的情況，只聚焦于單個界面。因此實驗將設有3組實驗組(3種導航界面)和1組對照組(無導航界面)，通過組間比較驗證假設。

圖3 虛擬場景

2.4 被試

實驗共28名被試者參與，年齡在20~25歲之間，其中16名被試者有使用過VR設備的經驗。被試者隨機分為4組，每組7人，有VR經驗者占比均為4/7。劃分后的4組被標記為Z、A、B和C，分別對應著無導航、尋路光帶導航、地圖導航和提示圖標導航4種騎行方式。每組將會在相同的虛擬場景下執行任務。

2.5 執行

實驗前被試者會被簡單地詢問年齡、性別、VR經驗和電腦3D游戲經驗。隨后簡短介紹實驗流程、任務、設備的使用及相關注意事項。實驗的流程將分為4個環節執行。

環節1. 練習。被試者帶上VR設備并學習VR測試系統的使用：通過自行車平臺(輸入設備)控制虛擬自行車前行和轉向，通過轉動頭部視察周邊的環境(圖4)。被試者會被安排在一個非實驗虛擬環境進行騎行練習(圖5(a))，當其認為已經熟悉設備并可以進行實驗后即進入第二環節。

環節2. 預實驗。被試者在虛擬場景(圖5(b))中進行時長約2.5 min的騎行任務，到達終點后會被詢問是否發現特征物體以及復述物體上方的數字。

環節3. 正式實驗。與環節2基本相同，但被試者會被安排在全新的虛擬場景中騎行(圖5(c))，而且每組會有各自的導航方式(圖6)輔助被試完成任務。

環節4. 被試者需要填寫一份問卷，以及接受實驗員短暫的訪談。

圖4 被試執行導航任務

2.6 數據收集與體驗度量

在任務過程中，測試系統會自動記錄以下數據：任務完成時間、碰撞次數、碰撞位置、發現特征物體的準確率。任務完成時間能有效代表效率；碰撞次數越多證明系統越難用，所以用碰撞次數來表征系統的易用性；環境感知度可以通過發現特征物體的準確率來度量；滿意度、易學性、易用性、臨場感是一種主觀的感受，可通過問卷的形式度量。USE量表可以度量用戶的滿意度、易學型和易用性[13]。用戶的臨場感可以用PQ量表來度量[14]。體驗要素和所收集數據的關系見表1。

圖5 各環節的虛擬場景

圖6 不同實驗組的導航方式

表1 體驗要素和所收集數據的關系

3 結 果

圖7(a)顯示在不同界面導航下，被試者完成任務的時間。無導航狀態下的平均試驗時間132.36 s，提示圖標平均試驗時間121.73 s，使用提示圖標導航比無導航的騎行效率高出10.63 s(8.72%)，但不顯著(=0.08)。地圖和尋路光帶的導航效率與無導航差別不大。圖7(b)給出用戶在各界面導航下的碰撞次數。各組的平均碰撞次數均在1.5次以下，然而實驗數據有較大誤差，所以不能得出結論。在環境感知度方面(圖7(c))，使用提示圖標后被試者發現物體的準確率只有50%，相比無導航下被試者發現物體90%的準確率低了40%，可以認為提示圖標會顯著降低用戶對環境的感知度(=0.01)；地圖對環境感知的影響不大，而尋路光帶有輕微影響但不顯著。

在主觀評價方面(圖8(a))，尋路光帶一定程度上能提高用戶對任務的滿意度但并不顯著(=0.09)，其他導航方式均無顯著影響。提示圖標和尋路光帶都能明顯地提高界面的易學性(=0.03)，此外尋路光帶在易用性方面有顯著的提高(=0.02)。用戶的臨場感會因導航界面的加入有小幅度的提升(圖8(b))，但不顯著(>0.05)。

本實驗進一步對碰撞次數、彎道角度和環境感知度等要素間的相關性進行了分析。28名被試者中有10名發生了碰撞，其中9名碰撞于135°的彎道，5名碰撞于90°的彎道，均發生在偏轉角度大的彎道上，其碰撞次數和位置分布如圖9(a)所示。180°彎道上未發生碰撞，原因可能在于其轉角的圓弧半徑較大(1>2) (圖9(b))。碰撞的概率是否取決于彎道的夾角和彎道所在的圓弧半徑，有待進一步驗證。由圖10給出碰撞次數和環境感知度的相關性分析可以發現，碰撞次數與環境感知度不存在相關性，即碰撞不會影響用戶對環境的感知。

圖7 用戶在客觀數據上的平均得分

圖8 用戶在主觀評價上的平均評分

圖9 碰撞次數與彎道角度的分析

圖10 碰撞次數和環境感知度的相關性分析

4 討 論

實驗結果與預期有較大的差別，即H0、H1都無法被完全證實。首先，尋路光帶沒有符合預期(使導航變得高效)，反而提示圖標顯得更高效，因為其能額外提示用戶彎道有多急，使用戶可以及時調整速度。在訪談中，75%的被試者認為提示圖標對導航有幫助。盡管如此，仍不能確切地證明提示圖標是一個最高效的導航方式。更重要的是，提示圖標會顯著降低用戶對環境的感知度。所以不建議使用提示圖標導航。甚至，不建議使用以頭部為參考系的圖形界面，因為存在著降低用戶對環境的感知度的風險。

其次，雖然在客觀評估上各種導航界面沒有表現出明顯優勢，但在主觀評價上(滿意度、易學性、易用性)尋路光帶有著不錯的表現。在訪談中，有被試者反饋：“光帶能讓我更好地執行任務，我只要跟著它走就可以了”，近85%的被試者認為其對導航有幫助。可以認為，尋路光帶能有效地在心理層面上降低任務難度。因此，建議使用尋路光帶導航，而且更適合用于新手輔助或者更加復雜的路面環境。

再次，本次實驗僅僅針對導航任務的其中一個分類(操縱任務)。在這一任務下，環境所提供的視覺信息或足以支持用戶導航，所以在客觀評估上各導航的差異不明顯。此外，雖然地圖導航方式沒有表現出任何優勢，但其能讓用戶全局地了解環境，可能更適合其他類型的導航任務，這有待以后的實驗來驗證。

最后，在虛擬場景的設計中，為了避免用戶發生碰撞，建議盡量使用角度較小的彎道。角度較大的彎道除了會更容易讓用戶碰撞外，還會讓用戶產生眩暈感。目前還沒發現能有效減少碰撞的界面，在以后的研究中會更加關注。

5 總結和未來工作

對尋路光帶、地圖和提示圖標等3種導航方式進行了用戶體驗研究。首先將導航中的用戶體驗分解為6個要素：效率、滿意度、易學性、易用性、環境感知度和臨場感。然后將每種導航界面與無界面導航進行對比分析，確定其在各個體驗要素上是否存在顯著的提升。結果表明，尋路光帶在易學性和易用性上有比較好的表現，提示圖標會顯著降低用戶的環境感知度，地圖與無導航沒有顯著的差別。最后，提出了這些導航界面的適用場景和使用建議。

本文僅針對一種導航任務進行研究，所以研究結論有一定局限性。在未來，研究將延伸至其他類型的導航任務，從而得出更多增強虛擬現實導航體驗的方案。

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Experience Measurement of Three Navigation Interfaces in Virtual Riding

JIANG Lijun1,2, LI Jianyu1, LI Zhelin1,2, WU Zhanghong1, ZHANG Yu1

(1. College of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510000, China; 2. Guangdong Engineering Research Center of Human-Computer Interaction Design, Guangzhou Guangdong 510000, China)

Relevant researches indicate that most users meet difficulties in navigation in virtual reality. However, the current study on navigation is still insufficient. Aiming at this problem, a study on immersive virtual riding is conducted to measure the user experience of different navigational interfaces including the map, the directional icon and the light path. The evaluation indicators involve efficiency, satisfaction and learnability. Subjects will ride along the paths in virtual environment to reach the destination and the system will record the riding time and the number of collisions to quantify different elements of user experience. The experimental result shows as follows. Firstly, the directional icon can increase the efficiency of virtual riding to some, but not significant degree. However, the directional icon contributes to low perception of other objects in virtual environment. Secondly, when the users use light path to navigate, the usability and the learnability are significantly improved. Lastly, there is little difference between the experience of map navigation and the experience without any navigation.

virtual reality; virtual riding; navigation; navigation interface; users experience

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030515

A

2095-302X(2018)03-0515-07

2017-10-06；

2017-12-04

中央高校基本科研業務(2017ZX013)；廣州市科技新委科學研究專項(201607010308)

姜立軍(1968–)，男，湖南益陽人，教授，博士。主要研究方向為人因功效研究、人機交互技術研究。E-mail：ljjiang@scut.edu.cn