頭戴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用戶體驗的設計因素分析

岳鵬飛 陸后軍

摘要：針對頭戴式（HMD）虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)的用戶體驗評價進行具體的實驗設計與量化分析。以自動化集裝箱碼頭虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)為例，分析影響用戶使用體驗的可能因素，進而設計了量化分析實驗，采用主成分分析法（PCA）對實驗數(shù)據(jù)間的相關矩陣、各成分特征向量以及方差貢獻率進行分析。得出VR系統(tǒng)設計過程中影響用戶體驗的主要因素包括整體場景的構建、動畫運行的流暢度、建筑模型的構建以及自由移動。本文結(jié)論對提高虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用戶體驗的設計過程提供了科學依據(jù)，具有重要的理論意義。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實 設計因素 自動化碼頭 主成分分析

中圖分類號：TP37 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）02-0134-02

引言

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，能為用戶提供完全浸入式的體驗。但是目前缺少客觀評價虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型，適用于工業(yè)產(chǎn)品的多目標評價決策支持系統(tǒng)[1、2]并不能完全囊括虛擬現(xiàn)實的特點;基于虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)品設計評價系統(tǒng)[3]局限于虛擬現(xiàn)實對產(chǎn)品評價的影響，鮮有提到對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的評價;而沉浸式虛擬現(xiàn)實下的產(chǎn)品設計研究[4]中雖然提到了數(shù)學分析評價法，但是并沒有提出具體的數(shù)學模型。本文采用主成分分析法[5、6]對收集的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到客觀的數(shù)學評價模型，能夠為評價、分析虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)設計因素提供科學的、客觀的理論依據(jù)。

一、主成分分析法

主成分分析法是將多個原始變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個能反映原始變量大部分信息新變量的降維方法。希望能用較少的變量解釋原資料中的大部分變量，將相關性很高的變量轉(zhuǎn)化成相互獨立或不相關的變量，流程如圖1。

舉例來說：假設原始數(shù)據(jù)矩陣為，對數(shù)據(jù)進行標準化處理，建立協(xié)方差矩陣，將特征向量按特征值由大到小排列，取前k個按行組成矩陣，通過計算得到降維后數(shù)據(jù)。若m個主成分的累積方差貢獻率在85%以上，說明這m個主成分能反映原數(shù)據(jù)85%以上的信息。

二、用戶體驗影響因素分析

ISO 9241-210標準將用戶體驗定義為“人們對于針對使用或期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或者服務的認知印象和回應”。通俗來講就是“這個東西好不好用，用起來方不方便”。

（一）整體場景的布局。整體布局是指除了人物角色造型之外的一切事物的造型設計，就是有空間層次感的場面構圖。場景的設計是為了交代故事發(fā)生的時間，地點，以及位置環(huán)境。調(diào)查用戶對虛擬場景的看法能夠看出整體場景設計中的長處和不足之處，能夠為場景的進一步改善提供依據(jù)。

（二）動畫運行流暢度。流暢度包括視覺流暢與聽覺流暢。流暢并不是僅僅指動畫的幀頻率高和畫面的精細[7]，更重要的是要符合人類的審美觀點和客觀法則。準確來說，對流暢度的調(diào)整，更重要的是找到最適合人們觀賞的表達節(jié)奏。

（三）建筑模型的觀賞度。不同于以往的二維模型，虛擬現(xiàn)實場景中的三維模型能讓用戶更加直觀、具體地觀摩每個建筑物的外型、內(nèi)部構造。但三維模型并不是簡單地構建起一個立體模型，需要依據(jù)周圍的人文、地理環(huán)境等進行三維景觀模型構建[8。收集用戶對三維模型的看法能對日后構建完美融入場景的模型總結(jié)寶貴的經(jīng)驗。

（四）自由移動。用戶在使用虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品時的自由移動可以看作對用戶自由度的解放[9]。不同于以往動畫的固定流程，用戶在虛擬場景中可以自由移動、選擇觀摩的建筑和作業(yè)的流程，用戶在其中擁有極大的自主操作權。作為虛擬現(xiàn)實最有代表性的特點之一，用戶對之的看法顯得尤為重要。

（五）場地舒適度。體驗場地的舒適度也即場地的大小主要受限于兩個因素：適合用戶的移動范圍和信號接收器的有效范圍。但受限于當前的虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展程度，VR頭顯還無法做到無線連接，并且用來定位頭顯位置的信號接收器的有效工作范圍也有著局限，這一系列的原因都導致目前的移動場地無法過大。

三、案例分析

（一）實驗背景。實驗采用的是以上海洋山港四期為背景構建的一套自動化集裝箱碼頭虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，如圖2。場景中包括自動化碼頭該有的一切設施：貨輪、集裝箱、橋吊、軌道吊、堆場、AGV、集卡等。該系統(tǒng)能模擬自動化碼頭完整的運作流程，包括：進口卸船、出口裝船、進口提箱、出口收箱、堆場翻箱。體驗者可以近距離地觀看到自動化碼頭的所有運作流程以及器械的運動，可以通過手柄和步行自由移動，自由選擇觀看場景和視角，貫穿全程的語音講解能為體驗者解答專業(yè)性的問題。

（二）實驗過程。隨機邀請上海海事大學的50名在校生進行頭戴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的體驗。以5人一組為單位，分10次完成所有人員的體驗實驗。每位同學在體驗結(jié)束后都須填寫一份有關虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體驗感受的調(diào)查問卷，借助問卷星軟件對問卷數(shù)據(jù)進行回收，以待下一步的處理。

（三）數(shù)據(jù)處理。采用主成分分析法對樣本數(shù)據(jù)進行主成分提取后得到各功能間相關矩陣，如表1。由表1能清楚地看出各成分之間都存在著相關性，適合進行主成分分析。分析得到各成分特征值與累計貢獻率與各主成分特征向量。由數(shù)據(jù)知，前四個成分特征值與方差貢獻率分別為3.706，46.321%;1.382，17.279%;1.101，13.761%;1.036，12.949%。前四個成分的累積方差貢獻率為90.311%，也就是能反映樣本90.311%的信息，故選取前四個成分為主成分。

由主成分特征向量可知各主成分F1、F2、F3、F4的表達式：

F1=-0.2248Y1-0.891Y2-0.836Y3+0.932Y4+0.576Y5-0.275Y6+0.941Y7

F2=0.325Y1-0.265Y2+0.446Y3-0.251Y4-0.189Y5+0.219Y6-0.164Y7+0.913Y8

F3=0.694Y1-0.223Y4+0.530Y5-0.531Y6

F4=0.694Y1-0.223Y4+0.530Y5-0.531Y6

根據(jù)不同主成分特征值的方差貢獻率得出，綜合評價函數(shù)F的表達式：F=0.46321F1+0.17279F2+0.13761F3+0.12949F4

根據(jù)構建的評價模型，代入數(shù)據(jù)計算得到權值函數(shù)值排名前十的問卷。結(jié)合方差貢獻率和前十份問卷數(shù)據(jù)以及眾多的理論支持[10、11]，得出頭戴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)影響用戶體驗的最主要的四點因素是整體場景的構建、動畫運行的流暢度、建筑模型的構建以及自由移動。

四、結(jié)果與建議

針對以上四點，基于為用戶提供完美的體驗感受的出發(fā)點，對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設計提出以下幾點建議：

（一）首先，對場景布局的設計是對整體風景的定位工作[12]，要以現(xiàn)實環(huán)境為參考，要能夠引起用戶的共鳴。用戶在進入虛擬場景后會不由自主地思考相關的問題：原來集裝箱是這樣堆放的;這些小車是怎么運送集裝箱的？岸橋是怎么把船上的貨物運到碼頭上的呢？這些場景能充分調(diào)動用戶的好奇心，激發(fā)用戶的創(chuàng)新思維和興趣，讓用戶真正地沉浸到虛擬環(huán)境中。

（二）其次，保持穩(wěn)定的60fps/120hz是避免虛擬現(xiàn)實內(nèi)容眩暈的必要基準。空間定向法是在Vapor Riders（一款滑雪競速游戲）的研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的有效減少眩暈感的方法[13]：當用戶以腳下的地面為參考時，將有效減輕VRS。建議在制作虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)時采用空間定向法并且降低遠處紋理的分辨率，在保證用戶畫面體驗的同時有效降低眩暈感。

（三）另外，在構建建筑模型的時候應該把握住建筑的主要特點，可以適當放棄一些細節(jié)部分，給用戶留下更直觀的體驗感受。以上文虛擬碼頭系統(tǒng)中的AGV小車為例，在構建過程中只保留了車輪、車身、集裝箱承載臺三個部分的主要特點，省去了輪胎花紋、車身花紋、車身鏤空等細節(jié)。90%的用戶反映簡潔的畫風讓小車有了更強的辨識度，也能讓他們更容易記住小車的結(jié)構特點。

（四）最后，用戶在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的移動應當采用手柄控制與腳步控制相結(jié)合的方式。用戶對結(jié)合式的移動方式的評價明顯高于單一的移動方式，僅通過單一的方式很難達到用戶體驗的要求，而借由手柄移動選擇一片活動范圍，再通過腳步移動允許用戶去到任何想去的地方，這樣的體驗方式很大程度上解放了用戶的自由，充分滿足了用戶的好奇心，更為用戶帶來高質(zhì)量的體驗感受。

在研發(fā)或者優(yōu)化虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)功能的時候，應該以虛擬場景的構建為基礎，以完善虛擬畫面的運行為思想，保證虛擬場景建筑模型的質(zhì)量，充分發(fā)揮自由移動等特點的作用，構建出能為用戶帶來完美體驗的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

結(jié)論

本文通過實驗手段獲取虛擬現(xiàn)實（VR）系統(tǒng)的用戶體驗數(shù)據(jù)，采用主成分分析（PCA）分析影響自動化碼頭VR系統(tǒng)用戶體驗的主要因素包括整體場景的布局、畫面流暢度、建筑模型以及自由移動。針對這四點提出了能增強用戶體驗的設計建議，對于其他類似VR系統(tǒng)的設計、開發(fā)也具有指導意義。

基金項目：上海市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S201805003）。

參考文獻

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[13]利用用戶體驗對抗虛擬現(xiàn)實眩暈[OL].https：//software.intel.com/zh-cn/articles/combating-vr-sickness-with-user-experience-design.2017年3月23日.Matt Rebong