動感單車的側傾反饋體驗設計研究

李建余，姜立軍,2，姜立新

?

動感單車的側傾反饋體驗設計研究

李建余1，姜立軍1,2，姜立新3

(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， 3. 湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

眩暈問題是影響虛擬現實體驗的一個重要因素。以動感單車的虛擬騎行為例，從側傾體感反饋的角度，提出了降低用戶眩暈感的設計方案，并對其進行了用戶體驗度量。首先，設計了可能的3種騎行姿態的反饋方式，分別是基于用戶自身側傾的體感反饋方式(IR模式)、基于用戶轉彎角度的體感反饋方式(PR模式)和無反饋方式(NR模式)。然后，對3種反饋方式進行了用戶體驗度量。研究表明，IR模式不適用于虛擬騎行；PR模式與NR模式相比，除了能降低用戶在轉彎過程中的眩暈感外，還提高了用戶的臨場感、系統的易學性及易用性。

虛擬騎行；側傾反饋；用戶體驗

暈動癥[1]是一種虛擬現實體驗中感官平衡失調導致的不舒適癥狀，當人眼所見到的運動與前庭系統感到的運動不相符時，就會產生暈厥、惡心等癥狀[2]。2001年，DUH等[3]證明了獨立視覺背景(independent visual background，IVB)可以減少場景移動所引起的暈動癥，并且證明了位于視覺周邊的IVB比位于視覺中心的IVB更加有效。2002年，LIN等[4]進一步對比了分別由網格、少云和多云組成的IVB對暈動癥的影響，結果表明，由云組成的IVB能更有效地減少惡心。2016年，FERNANDES和FEINER[5]探索了響應視覺所感覺到的運動動態改變物理視野(field of view, FOV)的交互方式，可以減少參與者的暈動癥，并能幫助其適應虛擬環境，且不會降低臨場感。2017年，KEMENY等[6]開發了一種新的“頭部鎖定”交互方式用于虛擬環境中的旋轉活動，此交互方式顯著地減少了暈動癥的產生。上述研究已從視覺反饋這一角度提出降低暈動癥和提升體驗的有效解決方案。然而，虛擬現實包含多種感覺通道的交互，任何感覺通道的反饋都有可能對暈動癥產生影響。OWEN等[7]指出，當人迷失方向時若缺乏相應的感知動作可能會導致暈動癥易感性，所以除了視覺反饋外，體感反饋也能對暈動癥產生影響。此外，許多學者已經提出了體感反饋的優勢。首先，體感反饋能提供警示信號和信息引導，分擔過于復雜的視聽通道信息負擔[8-12]，如用觸覺信號代替身體運動動作指導場景中的聲音提示就呈現出良好的指導效果[13]。其次，體感反饋能增強用戶感知，提供更真實的感受。如體感反饋與視覺和聲音提示相結合，可以使用戶覺得周邊環境更穩固、更真實[14]。所以，將體感反饋應用于虛擬現實中，使用戶的視覺感知和體感感知相互融合，或能有效解決眩暈問題，提升用戶體驗。

1 騎行姿態分析

根據生活經驗，自行車在轉彎時會發生側傾。通過力學分析可知，當車在轉彎時，輪胎與地面的摩擦力會產生相反方向的力矩使車向外傾倒。實際情況是，當人有傾倒感時，身體會自然做出調節，且向內傾斜同時帶動車輛傾斜[15-16]。相關研究指出自行車在理想狀態下轉彎角度與車輛傾角間的函數式[15]為

其中，為車輛傾角；為速度；為重力加速度；為輪距；為轉彎角度。

式(1)解釋了轉彎時的反饋體驗。為此，本研究設計了兩種虛擬騎行的反饋方式。其一為基于用戶自身側傾的體感反饋方式，即輸入設備會隨著用戶自身的側傾作出反饋。如，當用戶向左側傾身體時，輸入設備會同時被用戶帶動向左側傾。這種反饋方式是基于用戶主動意識產生的，為方便描述，將其稱為IR模式。另一種反饋方式為，基于用戶轉彎角度的體感反饋方式，即輸入設備會根據用戶的轉彎角度自動作出側傾反饋，以此帶動用戶身體側傾。如，當用戶向左轉彎時，設備會根據轉彎角度和函數公式算出側傾角度，并同時作出相應側傾。這種反饋方式是用戶無意識狀態下被動發生的，將其稱為PR模式。另外，為比較IR模式和PR模式的有效性，需要一種基礎的反饋方式作為參照，即無反饋方式，將其稱為NR模式。

2 測試系統

2.1 硬件設備

為保證系統能順利且流暢地運行，本測試系統的顯示及處理系統具體構成如下：運行Microsoft Windows 7的操作系統、搭載Intel i7處理器的PC、Oculus DK2頭戴式顯示器(HMD)頭盔以及NVIDIA GeForce GTX 1050顯卡。本測試系統的輸入/輸出設備是一個自主研發的自行車平臺(圖1)。該平臺由多個功能模塊組成：磁粉制動器，通過調整電流來提供不同的阻力，模擬用戶在虛擬騎行中的阻力；三自由度動感平臺，能帶動整個自行車平臺前后俯仰及左右側傾，模擬虛擬場景中的上下坡地形；不銹鋼軸承及鎖止塊，在開啟狀態時，用戶能通過身體左右側傾來帶動自行車架側傾，在鎖定狀態時，用戶則不能讓其側傾；氣彈簧，能在自行車架側傾的狀態下提供反方向的彈力，讓自行車架自動復位；角度傳感器，收集用戶在騎行過程中的車頭轉向角度數據；速度傳感器，收集飛輪轉速數據；心率傳感器，收集在整個騎行中的心率數據；Arduino開發板，實時收集平臺的所有數據，并進行數據處理后傳送到測試系統。各傳感器的數據能實時映射到虛擬自行車上，用戶通過在硬件平臺上騎行控制虛擬自行車運動(圖2)。

圖1 自行車平臺

圖2 被試進行騎行實驗

2.2 虛擬環境

虛擬環境是一個開闊的草地，草地上設有唯一用戶騎行道路，如圖3(a)所示，該道路首尾相連，且涵蓋各種角度的彎道。用戶只需沿著道路以最自然的狀態騎行即可，同時，系統會記錄用戶在虛擬環境中的運動軌跡及超出軌道的次數。另外，道路上每隔一段距離會設有檢測點，此段路共5個檢測點如圖3(b)所示。當用戶到達檢測點后，不需要停頓或減速，只需要口頭匯報當前的眩暈情況，用數字0~10分表示，0代表無眩暈感并可以繼續騎行，10分為眩暈感非常強烈需要馬上終止。一旦用戶選擇了10分，表示不能繼續進行實驗且馬上終止。實驗人員會記錄用戶在每個檢測點上匯報的分數。最后，系統將自動記錄用戶的心率、時間和轉彎角度等數據，以便實驗后的數據分析。

(a) 首尾相連的道路

(b) 道路上的檢測點

圖3 實驗的虛擬場景

2.3 測試系統與反饋方式

測試系統可以產生3種反饋方式，分別對應著NR模式、IR模式和PR模式，如圖4所示。NR模式下，不銹鋼軸承及其鎖止塊和三自由度平臺均為關閉狀態。無論用戶如何擺動身體，平臺和自行車架均不會發生側傾；IR模式下，不銹鋼軸承及其鎖止塊為開啟狀態，三自由度動感平臺為關閉狀態。當用戶將身體左右側傾時，可以帶動自行車架側傾。同時，氣彈簧會給予車架側傾方向相反的力，輔助用戶將車架擺正；PR模式下，不銹鋼軸承及其鎖止塊為關閉狀態，三自由度動感平臺為開啟狀態。系統會根據用戶轉彎的角度調整平臺側傾的角度，如當用戶向左轉彎時，平臺會向左傾斜。由式(1)決定轉彎角度與側傾角度的函數關系。為了避免用戶從平臺上摔下，平臺設定了最大傾斜角為±5°。

圖4 測試系統3種反饋方式

3 預實驗

3.1 用戶體驗要素

本研究所指的體驗要素包括：①眩暈感，用戶在騎行過程中及騎行后的眩暈情況；②滿意度，用戶對系統的滿意程度；③易學性，用戶適應系統的快慢程度；④易用性，用戶對系統操作的難易程度；⑤臨場感，用戶覺得自己身臨其境的程度。

3.2 任務

實驗要求被試沿著虛擬環境中的道路騎行兩圈且有以下規則：①被試需要盡量沿道路中心行駛，不能超越道路邊界，如果越界系統也不給予任何提示，但會記錄被試的行駛軌跡以及超出軌道的次數；②本次任務沒有時間限制，被試不需以最短的時間完成任務，但需要盡量地保持勻速騎行，并且每次任務的騎行速度應盡量保持一致；③每次到達檢查點時，被試需要口頭匯報當前的眩暈情況；④如果被試在騎行過程中感到身體不適，需向實驗員匯報，并自由地選擇是否終止實驗。每次騎行大概需要2分半鐘，重復執行2次。每次任務后被試可以休息一段時間，直至其認為可以執行下一次任務。

3.3 過程

實驗前被試會接受簡單地詢問，如年齡、性別、VR經驗和電腦3D游戲經驗。隨后實驗員簡短介紹實驗流程、任務、設備的使用及相關注意事項。將實驗的流程分為3個環節。①被試帶上VR設備并學習VR測試系統的使用：通過自行車平臺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。還會被安排在一個非實驗虛擬環境進行騎行練習，當其認為已經熟悉設備并可以進行實驗后即進入下一環節。②被試在虛擬場景(圖4)中進行兩次時長約2分半鐘的騎行任務。在每次任務后，被試需要填寫用戶體驗相關量表。③實驗員針對被試執行任務的表現與被試進行短暫的訪談以及收集被試對整個測試系統的建議反饋。訪談完畢后，向被試贈送小禮品表示感謝，實驗結束。

3.4 數據收集與體驗度量

任務過程中，測試系統會自動記錄以下數據：任務完成時間、被試超出軌道的次數及被試在每個檢測點的眩暈度分值(ADS值)。ADS值能有效度量用戶在任務過程中的眩暈感[5]。每次任務后用戶需要填寫SSQ和PQ量表，并分別對應著被試在剛剛的整個任務中的眩暈度分值和臨場感分值[18-19]。綜上，本實驗所度量的體驗要素和所收集數據的關系見表1。

表1 體驗要素與所收集的數據的關系

預實驗數據顯示，在虛擬騎行中，87.5%的被試在拐彎時身體會側傾，且側傾方向與彎道的方向一致。可以認為，在虛擬騎行狀態下，盡管轉彎過程中車架不會因力的作用發生側傾，但用戶依然保持在現實世界中的騎行習慣將身體側傾。IR模式下，被試并未在轉彎時主動將自行車架側傾，即被試的表現沒有與預期一致。原因在于，用戶在轉彎時身體側傾是無意識的狀態，其力度不足以帶動車架傾斜。能帶動車架側傾的部分用戶，亦未能意識到車架在傾斜并將其復位。所以，IR模式不適用于虛擬騎行。PR模式下，所有被試均能按照實驗預期執行任務，即PR模式可用于虛擬騎行。此外，預實驗還得出，PR模式下用戶的暈動感等體驗要素均有較高的評分，在正式實驗中將會更加嚴謹地對該反饋方式進行體驗度量。

4 正式實驗

4.1 實驗中被試、任務及執行

正式實驗中共有14名被試參與，年齡20~25歲，其中8名有使用過VR設備的經驗。被試被隨機分為2組，每組7人，有VR經驗者占比均為4/7。劃分后的2組被標記為Z組和A組。每組將在相同的虛擬場景下執行任務。每組被試所對應的反饋模式及任務順序如下：Z組被試首先在NR模式下執行第一次任務(記為NR-Z1)，然后在PR模式下執行第二次任務(記為PR-Z2)；A組被試在PR模式下執行第一次任務(記為PR-A1)，在NR模式下執行第二次任務(標記為NR-A2)。

4.2 實驗結果與分析

4.2.1 眩暈感分析

從圖5可以直觀地看出兩組被試在任務后的眩暈感(SSQ值)對比，其中Z0和A0表示兩組被試在實驗前的SSQ值；兩組被試執行任務后SSQ值均明顯增加。另外，Z組被試執行第二次任務后的SSQ值，明顯高于第一次任務。除此之外，其他的差異并不明顯。采用經單因素方差分析法進行組間比較，及-檢驗平均值成對二樣本分析方法進行組內比較，結果發現4組被試在任務后的眩暈感無統計學差異(>0.05)。

圖5 各組的SSQ值

從圖6可以看出兩組被試在不同反饋方式下執行任務的眩暈感(ADS值)變化。顯然，PR模式曲線低于NR模式曲線。另外，Z組被試在第二次任務的ADS值沒有明顯變化，而A組被試在第二次任務的ADS值明顯增高，可以推斷NR模式對眩暈感有明顯影響。經統計學分析得，PR組的平均ADS值比NR組低，且差異顯著(<0.05)。

圖6 各組的ADS值變化對比

綜上分析可以得出，兩種反饋方式對于任務后的眩暈感影響差異不明顯，但PR模式能在騎行過程中有效減緩用戶的眩暈感。

4.2.2 滿意度、易學性、易用性、臨場感及用戶偏好分析

兩組被試的滿意度、易學性及易用性評分(USE評分)如圖7所示。從圖中可知，4組被試的滿意度差別不大，且在統計學上差異不顯著(>0.05)。在易學性方面，PR-Z2組的分值較高，顯著高于NR-Z1組(=0.03)，同時顯著高于NR-A2組(=0.02)，其他組別均無顯著差異性。同樣地，在易用性方面，PR-Z2組分值顯著高于NR-Z1組和NR-A2組(=0.01，=0.06)，其他組別均無顯著差異性。所以，綜合以上分析可以得出，PR模式與NR模式下的用戶滿意度無明顯差異，但PR模式能一定程度地提高系統的易學性和易用性。

圖7 各組被試的USE值對比

在臨場感方面，圖8給出兩組被試在不同反饋方式下的臨場感對比(PQ值)。在第一次任務中PR-A1組的平均PQ值比NR-Z1組低，但在統計學上無顯著差異(=0.13)。在第二次任務中PR-Z2組的平均PQ值比NR-A2組高，且在統計學上有顯著差異(=0.03)。在組內比較方面，在Z組中，PR-Z2組平均PQ值比NR-Z1組高(=0.09)，可以認為，在90%的置信水平下，兩者存在明顯差異。在A組中，NR-A2組的平均PQ值比PR-A1組低，但差異不顯著(=0.82)。綜上，PR模式能一定程度地提升用戶在虛擬騎行中的臨場感。

圖8 各組被試的PQ值對比

此外，被試在實驗后選出了更偏向的反饋方式，數據顯示，78.6%的被試更偏向于PR模式。這與以上的分析結果及用戶訪談內容一致，大部分被試認為，PR模式下執行任務更加自然和流暢。

5 小 結

分析了現實中的騎行姿態，并以此提出適合虛擬騎行的3種反饋方式：即:基于用戶自身側傾的體感反饋方式(IR模式)、基于用戶轉彎角度的體感反饋方式(PR模式)和無反饋方式(NR模式)。然后對3種反饋方式的用戶體驗進行了研究，包括眩暈感、滿意度、易學性、易用性和沉浸感5個要素。分析結果發現：轉彎時用戶在無意識狀態下將身體側傾，而非主動將身體側傾，其力度不足以帶動車架傾斜，所以IR模式不適用于虛擬騎行；PR模式與NR模式相比，能降低用戶眩暈感的同時提高了用戶的臨場感、系統的易學性及易用性。因此，可以認為PR模式能為虛擬騎行帶來最佳的反饋體驗。

[1] 蔡力, 翁冬冬, 張振亮, 等. 虛實運動一致性對虛擬現實暈動癥的影響[J]. 系統仿真學報, 2016, 28(9): 1950-1956.

[2] 卓杰先. 暈動癥的發生、預防及體育療法研究[J]. 柳州師專學報, 2007, 22(3): 123-126.

[3] DUH H B L, PARKER D E, FURNESS T A. Does a peripheral independent visual background reduce scene-motion-induced balance disturbance in an immersive environment? [EB/OL]. [2018-03-12]. https://www.researchgate.net/publication/2368738.

[4] LIN J J W, ABI-RACHED H, KIM D H, et al. A “natural” independent visual background reduced simulator sickness [C]//Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting. Los Angeles: SAGE Publications, 2002, 46(26): 2124-2128.

[5] FERNANDES A S, FEINER S K. Combating VR sickness through subtle dynamic field-of-view modification [C]//3D User Interfaces (3DUI), 2016 IEEE Symposium on. New York: IEEE Press, 2016: 201-210.

[6] KEMENY A, GEORGE P, MéRIENNE F, et al. New VR navigation techniques to reduce cybersickness [J]. Electronic Imaging, 2017, 2017(3): 48-53.

[7] OWEN N, LEADBETTER A G, YARDLEY L. Relationship between postural control and motion sickness in healthy subjects [J]. Brain Research Bulletin, 1998, 47(5): 471-474.

[8] CASSINELLI A, REYNOLDS C, ISHIKAWA M. Augmenting spatial awareness with haptic radar [C]// Wearable Computers, 2006 10th IEEE International Symposium on. New York: IEEE Press, 2006: 61-64.

[9] ROSS D A, BLASCH B B. Wearable interfaces for orientation and wayfinding [C]//Proceedings of the Fourth International ACM Conference on Assistive Technologies. New York: ACM Press, 2000: 193-200.

[10] VAN ERP J B F, VAN VEEN H A J. Vibro-tactile information presentation in automobiles [C]// Proceedings of Eurohaptics. Paris: Eurohaptics Society, 2001: 99-104.

[11] VAN VEEN H A H C, VAN ERP J B F. Tactile information presentation in the cockpit [M]. Haptic Human- Computer Interaction. Berlin: Springer, 2001: 174-181.

[12] GEMPERLE F, OTA N, SIEWIOREK D. Design of a wearable tactile display [C]//Wearable Computers, 2001. Proceedings. Fifth International Symposium on. New York: IEEE Press, 2001: 5-12.

[13] SPELMEZAN D, JACOBS M, HILGERS A, et al. Tactile motion instructions for physical activities [C]// Sigchi Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM Press, 2009: 2243-2252.

[14] BLOM K J, BECKHAUS S. Virtual travel collisions: response method influences perceived realism of virtual environments [J]. ACM Transactions on Applied Perception (TAP), 2013, 10(4): 25.

[15] 李志強. 如何求自行車轉彎時的傾角[J]. 黑龍江教育: 中學教學案例與研究, 2009(9): 23-24.

[16] 林瑞漢. 關于自行車轉彎問題的探討[J]. 物理教師, 2011, 32(6): 46-47.

[17] TULLIS T, ALBERT B. 用戶體驗度量[M]. 周榮剛, 譯. 北京: 機械工業出版社, 2016: 68-69, 153-155.

[18] KENNEDY R S, LANE N E, BERBAUM K S, et al. Simulator sickness questionnaire: an enhanced method for quantifying simulator sickness [J]. International Journal of Aviation Psychology, 1993, 3(3): 203-220.

[19] WITMER B G, SINGER M J. Measuring presence in virtual environments: apresence questionnaire [M]. Cambridge: MIT Press, 1998: 225-240.

On Experience Design of Heeling Feedback in Virtual Sporty Cycling

LI Jianyu1, JIANGLijun1,2, JIANG Lixin3

(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; 3. Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Dizziness in virtual reality is an important factor that affects users’ experience. This research takes the immersive virtual riding as an example to propose a solution to lower dizziness as well as to measure the users’ experience from the perspective of heeling feedback. Firstly, three patterns of heeling feedbacks responding to relative riding positions are put forward and applied in virtual cycling, including the pattern based on active rolls (IR mode), the pattern based on angles of turns (PR mode) and the pattern without feedback (NR mode). Then, the users’ experience when riding under these three patterns is measured. The results show that IR mode is not suitable for virtual cycling. Moreover, compared with NR mode, PR mode not only reduces dizziness in the process of turning but also improves the users’ sense of being present on site, as well as the cycling system’s learnability and usability.

virtual cycling; heeling feedback; user’s experience

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018040648

A

2095-302X(2018)04-0648-06

2018-04-13；

2018-06-23

中央高?；究蒲袠I務費項目(2017ZX013)；廣州市科技新委科學研究專項(201607010308)

李建余(1992-)，男，廣東廣州人，碩士研究生。主要研究方向為工業設計和人機交互。E-mail：396547112@qq.com

姜立新(1966-)，男，湖南益陽人，副教授，博士。主要研究方向為工程管理、環境交互與景觀營造。E-mail：jiang13017335795@163.com