走向循證的體驗設計：基于虛擬現實的認知人因分析平臺研究

吳振東 孫楚俏 艾小群

摘要：虛擬現實對于設計學是一種以認知人因學為理論基礎，信息化仿真技術為支撐，將非理性的感性意象信息加以量化與循證的研究范式。分析其研究屬性，并進一步闡述虛擬現實對于設計研究的重要特征：多維度體驗感知人因綜合分析平臺的有效性。并用虛擬現實眼動聯動的實驗方法對主題地鐵的空間設計加以分析與設計策略研究。據此探討如何應用智能技術來研究人的動機和行為，及潛在需求，有利于構建以人的認知為中心的設計研究體系，重新理解沉浸式虛擬現實對于設計學的研究價值。

關鍵詞：虛擬現實；循證；感知人因；設計實踐

作者簡介：吳振東，華僑大學機電及自動化學院講師，博士研究生，主要研究方向：虛擬現實、空間分析、用戶體驗研究。孫楚俏，華僑大學機電及自動化學院研究生，主要研究方向：交互媒體設計、認知人因研究（福建 廈門 361021）。艾小群（通訊作者），華僑大學機電及自動化學院副教授，主要研究方向：交互媒體設計、認知人因研究。

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目“基于虛擬現實眼動的地鐵裝飾色彩視覺影響機制研究”（JAT170030）；教育部人文社會科學青年基金“視域、視距、視角：基于3D GIS的泉州古城空間視覺特征提取與認知研究”（7YJC760100）；教育部人文社會科學青年基金“數字創意視閾下的設計構成知識更新與慕課（MOOC）建設”（17YJC760001）。

中圖分類號：TP391.98 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1398（2018）03-0157-08

一 基于虛擬現實的循證體驗研究

上世紀80年代，設計理念從功能主義逐漸被體驗為中心的設計所替代，設計更加專注于產品與人之間效率與心理感受Inns T.Designing for the 21st century：interdisciplinary methods and findings. 2010.，而設計研究不斷在探索人機的交互行為Ludden G D S，Schifferstein H N J，Hekkert P.Beyond Surprise：A Longitudinal Study on the Experience of Visual-Tactual Incongruities in Products. International Journal of Design，2012，6（1），pp.1-10.、情緒影響Nagamachi M.Kansei Engineering in consumer product design.Ergonomics in Design the Quarterly of Human Factors Applications， 2002，10（2） ，pp.5-9.、各感官體驗問題。在這些科研的推動下，當前設計學已經由傳統的經驗設計，逐漸向可度量的循證設計改變，許多研究大量使用定量分析和模型預測等理性的技術路徑。如今設計學也深受感染，而虛擬現實技術熱潮加快推動了循證設計在設計學的進度。

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR），如今最常見的定義是20世紀末才興起的一門綜合性信息技術，它通過人為的技術建構，通過特定的仿真技術，以多媒體的形式存儲、重現人類感官體驗，以對特定的空間場所進行模擬Bachimont B.Arts et sciences du numérique：Ingénierie des connaissances et critique de la raison computationnelle.2004.。1993年Heim提出VR的七個特征：模擬性、交互作用、人工現實、沉浸性、遙在、全身沉浸和網絡通信Heim M H.The Metaphysics of Virtual Reality.Oxford University Press，1994.。1994年，Burdea等出版了《Virtural Reality Technolongy》一書，在書中他們用3I：沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、構想性（imagination），概括了VR的基本特征Lehto M. A review of：“Virtual Reality Technology” Grigore Burdea and Philippe Coiffet John Wiley & Sons，Inc.，1994.IIE Transactions，1996，28（6）：pp.523-524.。國內也有文科學者從視覺文化的角度，認為虛擬現實已成為哲學的顯學之一，人工智能學科、社會學、藝術學都將此命題作為研究重點毛毅靜：《虛擬現實的視覺文化意涵》，《現代遠距離教育》2013年第1期，第8—13頁.。傳播學也有學者對虛擬現實的表征身體傳播的開放性和符號特征形式進行了研究梁國偉、候薇：《虛擬現實：表征身體傳播無限開放性的符號形式》，《現代傳播：中國傳媒大學學報》2008年第3期，第17—21頁。。

從技術層面來說，VR主要應用三維仿真、人機交互技術，使人作為沉浸者對搭建的虛擬環境體驗與交互，產生臨場感趙沁平、周彬、李甲等：《虛擬現實技術研究進展》，《科技導報》2016年第34卷14期，第71—75頁。。目前VR系統可以將各類數據的獲取，以及多源數據/模型無縫融合，并且能在真三維顯示下，形成自然化人機交互機制實時響應。這些優勢對于設計學的研究，虛擬現實僅僅只是一門新興的仿真技術；一個新的視覺現象；一種新媒體的設計樣式嗎？虛擬現實能為設計研究帶來哪些契機、范式的更新？認知人因學、心理學理論的交叉介入，虛擬現實實驗為支撐，能給設計學研究的帶來哪些全新的課題與方向，無疑，這些值得學術界深入探討。

1.虛擬的真實：沉浸體驗的信度問題

應用虛擬環境來做體驗設計研究，首先需要明確用戶在此環境下體驗是否是真實反映，與現實環境下差異有多少，信度高不高。由計算機媒介所構筑的數字化三維模型，是沿襲著傳統的瞬間截取的快照方式，提供的仍然是一種靜態的視覺體驗。上個世紀80年代開始，美國科學家Jaron Lanier將虛擬現實技術真正實現，組創了美國VPL公司，實現了虛擬現實的商業化運作。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界，提供給使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，如同進入真實的空間Lanier J.A vintage virtual reality interview.Philosophy，2005，18（1）：pp.17-43.。

1966年Sutherland I. E.等開始研制頭盔式顯示器HMD （Rolland and Cakmakci 2005），但只到2016年，被公認為虛擬現實的元年，是因為2014年oculus rift、2015年Project Morpheus、2016年HTC VIVE三大頭顯式虛擬現實設備的廣泛普及化應用。三大設備都是采用第一人稱視角的虛擬現實環境，畫面運動的支點是被試的眼睛，被試視線的移動如同在真實場景中一樣，這種空間上讓人產生強烈的認同感。從其產品的商業運作的成功，已經能說明強大沉浸感與擬真度。

在虛擬場景中，人的移動與系統交互行為主要依靠手柄完成。心理學家Riecke等人使用虛擬現實的方法研究表明，虛擬現實的真實感可以在真實的移動與虛擬的移動之間建立直接的聯系，產生同樣的生理、心理反饋。人們可以通過視覺引導，就可以完成在空間中的行走、位移、信息確認等任務Riecke， Bernhard E，Veen V，et al.Visual homing is possible without landmarks：a path integration study in virtual reality. Presence，2002，11（5）， pp.443-473.。沉浸式虛擬現實是360度無死角的全息環境，1993 年Beer的研究顯示，人們可以在虛擬環境中對物體之間的空間關系不斷地進行認知加工。包括空間定向、定位、軌跡追蹤、深度認知、表象轉換等高級空間認知加工過程Péruch P，Gaunet F.Virtual environments as a promising tool for investigating human spatial cognition. Cahiers De Psychologie Cognitive，1998，17（4）， pp.881-899.。

在虛擬環境下，執行復雜任務的交互效率與行為模式會怎樣？設計學的學者也就此設計了實驗。Vincent Rieuf和Carole Bouchard將沉浸式虛擬環境下與傳統實景下的作業的效率、滿意度、體驗感受等做了對比測試，將用戶在兩種環境下進行一系列的概念設計的任務（草圖繪制、概念設計等），結果發現虛擬環境下沒有影響其工作成效，在某些環節體驗還更好。這是一個目標任務的測試，實驗表明沉浸式虛擬環境下人的行為、感受、思維與真實環境無異Rieuf V，Bouchard C，Aoussat A.Immersive moodboards，a comparative study of industrial design inspiration material. Journal of Design Research，2015，13（1），pp.78-106.。因此，虛擬現實媒介是可以通過數據流營造一個信度高的體驗環境，為研究提供了可量化的平臺。

2.虛擬現實循證設計的應用范疇

在不斷加快的信息化進程中，虛擬現實所搭建的虛擬空間，早已超越了輔助設計工具的范圍，成為研究范式中的一個利器。其作用可以關注人的認知過程，如感知、記憶、推理和響應等過程。力圖將非理性的感性意象信息加以量化，服務于對人機系統的設計、評估、優化以及規范定制，此類大量的研究都是基于虛擬現實。這些研究內容正是設計學所關注的痛點，“工欲善其事，必先利其器”，研究者還需深知利器之利弊，利器之用途，才能為學所用。虛擬現實技術所搭建的場景，在認知人因學的引導下，不斷探索循證設計，已經不是一個單純的復制現實的環境，而是能夠將設計中的體驗問題放在一種三維可視化的綜合、量化、理性的分析并進行度量研究的平臺Fuchs，P.，G.Moreau and A.Berthoz.“Le traité de la réalité virtuelle volume 1：LHomme et lenvironnement virtuel.” In.2006.。這個平臺是具有數據采集更精確，數據信息更豐富，分析更理性，知識挖掘更客觀，驗證體系更完善，成果應用更可持續的特點的科學實驗定量研究。建立的是一套可供評估、推演、驗證和預測、證偽的數理化邏輯系統。可用于設計初期的概念、解決方案預測；也可在設計中期，將產品中體驗度量的數據化[美]湯姆·圖麗斯、比爾·艾博特：《用戶體驗度量：收集、分析與呈現》，周榮剛、秦憲剛譯，北京：電子工業出版社，2016年。，探索理解不同人群的多維度的視覺、心理、行為特征；也可以在設計后期從量化的數據中對設計進行評估，為迭代設計提出完善方案，并可形成行業共享的相關設計信息Tovey M，Porter S，Newman R.Sketching，concept development and automotive design.Design Studies，2003，24（2），pp.135-153.，減少用戶與整個設計群體之間的認知摩擦 [美]庫珀等：《軟件觀念革命：交互設計精髓》，詹劍鋒、張知非譯，北京：電子工業出版社， 2005年。，是設計學研究的趨勢所在。

二 多維度的體驗感知人因仿真綜合分析

在虛擬空間中，研究人的認知，還須借助外界設備與技術手段才能實現，目前常用的的實驗體驗途徑：頭盔顯示器+體感數據傳感系統。體感采集與記錄設備常用的有：眼動儀、近紅外、腦電波、動作捕捉、肌電、皮電、心電等。從認知學的角度來說，感知可分為“感覺”與“知覺”兩部分，感官接受刺激信息，叫做“感”，從信息傳到大腦認知形成意識稱為“知”。上述的這些儀器可以獲取用戶體驗中的視知覺、聽覺、腦部活動、行為模式等的感知數據，做單項或綜合的觀察與描述性統計，從而發現潛意識的需求。因此，虛擬現實為設計師搭建了全新的多維度感知人因綜合分析平臺。（圖1）

通過上述的外置儀器，虛擬環境下可以將用戶的感知過程中的動態生理信息進行同步實時采集。目前設計學研究用的最成熟的就是虛擬眼動數據，即頭顯式虛擬現實內置眼動儀，人們日常生活中約有80%—90%的信息來源視覺，50%的腦神經細胞與視覺相連，信息的視覺體驗可以充分利用人類的視覺潛能和腦功能。因此，視覺感受是人們接受信息和認知世界的重要途徑。常用儀器比如，Tobii的眼動系統，通過采集人機交互過程中用戶的視覺系統的數據來洞察用戶的視覺認知，分析人機之間的交互關系。主要有三大類數據，第一，熱點圖：能夠分析用戶在注視內容上的集中趨勢與停留時間。第二，視線掃描路徑：能夠呈現注視點的移動路徑變化，用于分析用戶觀看時眼動行為。第三，興趣區：測定特定元素、特定區域內的視覺注意力。分析停留時間、注視點數量、注視時間、瀏覽順序、首次注視所需要的時間、重訪次數、命中率這些指標，獲得特定區域上的具體數據[美]珍妮弗·羅馬諾·伯格斯托姆、安德魯·喬納森·沙爾：《眼動追蹤：用戶體驗設計利器》，宮鑫、康寧、楊志芳譯，北京：電子工業出版社， 2015年.。

其次，虛擬現實也常與近紅外、腦電波配合，通過對信息認知加工的大腦皮層活動的測量，來評估用戶在人機交互過程中的情緒、注意力、記憶等問題。還有生理多導，肌電、皮電、心電等技術。肌電是神經、肌肉刺激下發放生物電的結果。通過人機交互過程中，采集肌肉活動時相關的肌電信息，常用于研究揭示肌肉活動的規律。皮膚、心率的傳導性也與人機交互情緒特征的加工有緊密聯系。比如圖片、視頻、動作這些產品設計的刺激物，可以作為喚起交感神經系統的活動，或者使心率快慢變化，血管收縮、擴張，皮膚汗腺變化等，讓研究者測試用戶的情緒。

還有行為操作分析，可以對設計中的人機（系統）功能分配；任務完成情況：時長、操作、交互等分析；用戶需求分析；人機負荷評估中提取刻畫人的行為或狀態的特征原語等。解釋設計現象或產品中各種元素之間的關系，通過數據并分析其心理、生理反映，挖掘人的深層次的交互感知體驗。

三 VR眼動人因方法下的主題地鐵空間設計評估

以成都、廣州兩個城市的主題地鐵作為典型性案例，廈門標準地鐵為參考對象，建立三維仿真可交互的虛擬場景。依據視覺注意力原理，應用虛擬現實內置眼動設備設計實驗。以此解析對同一位置不同主題設施設計的對比分析，和同一主題不同位置空間界面設計的對比分析，提出當下主題地鐵設計的優化策略，提升設計的可用性。

1.設計案例調研與樣本選取

本項目通過對全國24個城市的主題地鐵設計的收集，69個主題選取兩個具有代表性的實驗樣本，分別為：成都3號線主題地鐵：提取具有成都地域性文化的熊貓為設計元素，將熊貓造型融入到座椅、把手、側墻的外觀設計中形成立體造型。廣州主題地鐵：以廣州6號線主題地鐵為參考樣本，以卡通元素為主的主題地鐵。廈門1號線標準地鐵：目前國內標準地鐵多是此種無主題的模式。如圖2所示。

2.實驗過程

本實驗共有被試者30人，年齡在18—35歲之間，為保證所有被試者的認知水平相同，被試者皆無虛擬現實體驗經歷，所有人均有坐過地鐵的經歷。被試的裸眼視力或矯正視力均為正常，無色盲。被試者置身于虛擬場景中進行120 s隨意觀察漫游的視覺活動。

首先將地鐵內部空間進行興趣區的劃分。由圖3可知，地鐵車廂內部按空間區域和功能設施可劃分成六個色彩不同的興趣區（AIO）為：頂面、側墻、端墻、地面、把手、座椅。所有在這六個興趣區內的首次注視時間、停留時間都將被記錄，利用spss軟件對眼動數據進行均值、方差統計分析，評估車廂內部設計。

3.實驗結果分析

1）不同主題的設施設計的對比分析

不同的主題地鐵在同一位置不同的設施設計手法，如圖4。 并對采集這些設施的眼動數據加以分析，如表1。

通過上述分析得出，對于主題地鐵設施設計的方法可分為兩種：1.可采用與周圍環境形成色彩對比的設計；2.可采用立體造型設計。兩者各有利弊，設計策略如表2所示。

2）主題空間界面設計的對比分析

地鐵車廂空間界面可分為：頂面、地面、兩邊側墻和端墻四個位置，是乘客視覺接觸面積最大的，需要滿足功能技術與空間審美層次的雙重要求。實驗以廣州、成都主題地鐵對比分析，探討同一主題不同位置墻面設計對用戶的視覺停留及關注度的影響分。總結出地鐵內部不同位置的設計特點。

首先對停留時間眼動數據進行方差分析。位置*主題的顯著性Sig=0.027<0.05，具有顯著性差異，說明裝飾位置和主題設計具有交互作用，裝飾位置的用戶眼動停留時間隨主題的不同而不同。顯著性Sig=0<0.05，具有顯著差異，說明各位置的數據差異具有統計學意義。為進一步分析，采用描述性統計對數據進行處理，將同一主題不同位置的眼動數據進行優先排序，結果如表3所示：

通過描述性分析發現，用戶進入車廂后，對不同位置會進行不同程度的信息加工。對比排序前三的位置發現，用戶注視停留的區域雖有所不同，但存在著一種共性。在所有興趣區中，被試不論在何種類型的地鐵車廂內，都會在地面和側墻這兩個位置進行觀察，符合人在地鐵中的行為模式，也是設計中應注意的重點位置。設計策略如表4。

四 結 論

我們以循證設計為主導思想，分析基于虛擬現實的的特征和應用范疇，并基于VR眼動人因方法以成都、廣州兩個城市的主題地鐵作為典型性案例，廈門標準地鐵為參考對象，對這三個地區主題地鐵的空間設計進行了評估實驗。探索了以虛擬現實眼動研究的量化評估流程，最后得出硬件設施與空間界面設計的設計優化策略。驗證了虛擬現實眼動實驗更加完善與系統地研究人機之間的交互關系。

當下設計學的體驗設計都在尋求建立一種更可靠， 更科學的學科知識體系，以提高設計決策的可信度。信息化技術的發展，頭顯式虛擬現實的問世，及與各類心理生理測量實驗的配合，搭建基于虛擬現實的多維度的人因綜合分析平臺，打開了人們認知和情緒的黑匣子，將成為設計研究的新范式。

Abstract： Virtual reality is a research paradigm， which quantifies and evidences the information of irrational perceptual imagebased on the cognitive theory of human factors and supported by information simulation technique. This article analyzes its research properties and further elaborates the important features of virtual reality for designing research： the effectiveness of comprehensive analysis platform in the multi-dimensional experience-sensing human factors. And with the method of eye-movement and linkage experiment in virtual reality to analyze the theme of subway space design and design strategy， it discusses how to apply intelligent techneques to research human motivation and behaviors， and potential needs， which is beneficial to build a design research system centering on human cognition and re-understand the research value of immersive virtual reality for design science.

Keywords： virtual reality； evidence； perception of human factors； design practice

【責任編輯 陳雷】