虛擬現實全景流體繪畫系統的可用性研究

朱永寧，葛 婷，杜盛瑀，樓澤如，王建民

虛擬現實全景流體繪畫系統的可用性研究

朱永寧1，葛 婷1，杜盛瑀2，樓澤如1，王建民1

(1. 同濟大學藝術與傳媒學院，上海 201804；2. 騰訊科技天美T2工作室，上海 200233)

虛擬現實環境給三維空間場景應用帶來更強的真實感和身臨其境的體驗。在虛擬現實場景中經常需要使用360°全景圖像生成沉浸式環境背景，其中全景流體動力學繪畫系統提供了一個新的全景圖繪制方法。在調研虛擬現實技術在流體繪畫領域應用的適用性測試中，本文綜合運用用戶測試法、操作日志分析法、事后問卷調查法和訪談法，對基于虛擬現實的全景式流體繪畫創作系統進行可用性評估，并創意性地使用可視化方法輔助日志分析。所有的受試者均認為系統的可用性不低于一般水平，利用該系統完成流體繪畫的創作工作不需要受試者具有專業繪畫經驗。受試者對系統的功能效果持積極肯定的意見，并期待嘗試用其他交互形式代替手柄類交互方式以促進藝術創作的表達。其研究方法和結果將為同類系統的開發和評估提供參考。

可用性；有效性；用戶體驗；虛擬現實；流體藝術

近年來，虛擬現實(virtual reality，VR)技術在醫療、城市仿真、教育和娛樂等廣泛領域，展現出強大的傳播推動力[1]。隨著以用戶為中心的設計理念(user centered design，UCD)逐漸深入人心，對系統進行可用性評估變得日益重要。不同于移動或桌面應用，虛擬環境中的交互系統的可用性，尤指控制的精確性和交互的自然性；其會影響用戶對系統的使用[2]。因此可用性評估被越來越多地被引入到VR系統開發中。目前，針對藝術創作系統可用性評估的研究較為缺乏。考慮到VR領域獨有的特點，其在評估上與傳統以桌面為平臺的系統有所不同[3]。盡管已有不少學者針對這個問題做了研究，多數模型和標準仍無法支持所有影響可用性的因素[4-6]。

全景式流體繪畫創作系統是一個代表性的基于VR環境的藝術創意系統。本文基于該系統進行可用性分析。該系統的畫面同時受到動力學模擬和用戶操作的影響，與其他藝術創作系統有明顯的差異，評估的復雜度和難度也更大。尤其是研究人員無法了解用戶在虛擬環境中的使用過程，這成為調研VR系統的一大挑戰。本文以該系統為平臺，創新性地將操作日志法應用于VR系統的評估中，特別是應用可視化方法輔助日志分析，為研究人員了解用戶的操作行為提供了直觀的線索和證據，同時輔之以其他通用的定性和定量研究方法，對系統當前可用性狀況進行評估，查找系統中存在的可用性問題，為同類系統的開發和評估提供參考。

1 相關工作

客觀評價能夠直接反映用戶對系統的認可程度。KEEFE等[7]從交互行為的角度出發，基于用戶的主觀評價對CavePainting系統進行了初步的形成性評估。M?KEL?等[8]是基于用戶純主觀反饋評估調查了三維繪畫工具在技術上的局限性和創作上的潛力。EROGLU等[9]在對流體草圖系統的評估中，主要針對用戶的主觀評價進行了討論。

通過客觀評價指標來度量系統的可用性是另一種重要的方法。KEEFE等[10]提出了一項基于觸覺輔助的三維建模輸入技術，并對其進行了初步的評估探索。出錯數和任務完成時間是衡量任務績效的2大指標。ISRAEL等[11]通過對比用戶在二維和三維條件下的任務表現，對沉浸式三維草圖系統的功能進行了驗證，主要依據為任務完成時間和專家對任務表現的評分。除了主觀評價和任務時間、任務水平滿意度、測試水平滿意度、出錯數、完成數[12]等績效指標外，主觀的腦力負荷等心理學方面的測量因素也開始用于績效評估[13]。

上述通用的定量和定性方法均不能反映用戶在虛擬環境中的使用過程和操作細節，缺失了VR系統可用性評估的重要證據。繪畫作品創作過程尤其重要，這也是度量系統可用性的一個途徑[7]。在網頁和移動端的交互設計中，有研究提出了應用操作日志分析法來分析用戶交互行為和評估系統可用性的思路。GRAY等[14]指出操作日志法，可輔助研究人員發現網站在可用性方面存在的問題。WEI等[15]通過對用戶在eBay電商網站點擊流的分析，研究用戶的交互行為，以此指導和驗證網站的功能設計。然而，在VR領域，這方面的研究較少。JACKSON和KEEFE[16]將操作日志應用于沉浸式三維建模系統Lift-off的可用性評估中，為研究人員了解用戶的動作和行為提供了線索。

綜上所述，主觀評價是獲取用戶對系統態度的最直觀的方式，本文將通過觀察法、大聲思維法和訪談法了解用戶對研究系統的感受。然而，由于該系統工作流程靈活且創作自主性高，用出錯數、完成度等的績效指標來評定欠缺充分性，并采用問卷調查法補充衡量系統的可用性。另外，本文的研究參考了文獻[16]操作日志分析法，并創新性地應用可視化方法輔助日志分析。本文綜合上述方法針對流體繪畫領域進行探討，為同類系統的評估提供思路。

2 系統架構與設計

基于VR的全景式流體繪畫創作系統(panoramic fluid painting，PFP)是一個數字媒體藝術創意工具。二維平面中的水墨動力學模擬被廣泛應用于模擬水墨和水彩繪畫效果[17-19]，但缺少沉浸感，不適合VR應用的需求。文獻[9]開發的流體素描系統可以在CAVE環境中交互生成模擬流體運動的粒子，但缺乏沉浸感。DU等[20]提出一種沉浸式虛擬環境中的基于水墨動力學模擬的交互式繪制方法，其為全景繪畫藝術家提供了更加直接的解決方案——支持用戶在VR的全景球面上通過虛擬筆刷對球面圖像進行繪制，并基于水墨動力學方法實時模擬液體顏料和基底的演化。Tilt Brush(https://www.tiltbrush.com)和Quill(https://quill.fb.com/)同為沉浸式環境中進行繪畫創意的代表性應用，其為基于空間的筆畫路徑及圖形生成畫面，而本文研究的系統則是直接處理像素圖像，并對其進行物理模擬，因此在繪畫創意中適用場景和畫面特點有所不同。

2.1 系統框架

該系統基于Unity3D引擎開發，使用Oculus Rift CV1作為頭戴式顯示設備，創建交互沉浸感。當用戶帶上頭戴式顯示后，即進入一個虛擬場景空間(圖1)。該場景包括一個全景球面、用戶界面和虛擬畫筆。用戶界面用于設定畫筆屬性，材質和物理性質等，用戶通過操作筆刷在虛擬球面上進行顏料繪制。顏料繪制在球面上以流體動力學模擬生成水墨運動的質感。

圖1 全景空間作品與參照作品((a)全景空間作品《數株連碧》；(b)測試用真實流體繪畫參考作品)

2.2 用戶界面

用戶界面的設計由3部分構成(圖2)：色彩區、筆刷參數區和測試畫布。通過用戶界面，用戶可以方便地選擇、調整和設置筆刷并進行保存、更新等管理。通過選取調節參數，藝術家可以設計并管理顏色、筆刷貼圖、筆刷物理性質等屬性。預設工具是本系統的一大特色。由文獻[9]和本系統早期的用戶測試均表明，大量的參數給初次使用系統的用戶帶來困難。這里提供一些預制參數組可以幫助用戶理解參數并快速開始作畫。經過藝術家調制的預制筆刷在接下來的繪制流程中方便反復選取和修改，從而使得藝術家可以不間斷地完成從效果設計開發到創作的整個流程。預設筆刷中除了普通靜態筆刷，還帶有動力學效果如吸管、吹風機、刮刀等工具的特效筆刷。類似地，藝術家可以方便地設計并管理預設顏色和預設紋理。

1.物理參數；2.預設筆刷；3.預設顏色；4.測試/紋理畫布；5.顏色選擇器；6.透明度；7.預設紋理；8.清空測試/紋理畫布

2.3 交互方式

虛擬畫筆由Oculus Touch 6自由度手柄映射實現。用戶完成一幅作品的流程包括：從顏色選擇器取色、預制顏色的設計與管理、筆刷物理參數調節(表1)、預制筆刷的設計測試與管理、筆刷紋理設計繪制與管理、在測試區域上的筆刷測試和全景球面上的實際繪制等步驟。

表1 參數詳情

3 可用性實驗設計

本文綜合考慮流體繪畫的復雜性、可重復性和效果，并選擇2個繪畫任務，招募了16位受試者進行可用性實驗。且對其行為進行了記錄，在實驗前、后進行調查和深度訪談。

3.1 受試者

16位具有藝術背景的受試者作為系統的主要受眾和目標群體。其精通繪畫以及圖像處理的軟件，但事先未接觸過待測設備或類似系統。杰柯柏·尼爾森提出了一個學說，“5人參加的用戶測試，即可發現大多數(約85%)的產品可用性問題”[21]。

3.2 測試方法

本文聚焦于沉浸式環境中的全景式流體繪畫的有效性，以最基本的繪畫工具選用與否、以及使用所選的工具能否實現流體藝術的效果作為有效性的評價標準。使用系統可用性量表(system usability scale，SUS)[22]收集用戶對系統的客觀評價。SUS因具有Alpha=0.91[23]很高的信度，即便在樣本量有限的情況下，也可以快速達到測試效果[24]，所以被廣泛用于測試產品/系統(原型)的可用性。SUS包含了10個題目，奇數項是正面陳述，偶數項是反面陳述。每項使用5點量表(1=強烈反對，5=非常同意)進行測量。得到的原始數據需將其轉化為百分制的分數。總分大于70表明系統/產品(原型)的可用性處在可接受的水平，而總分低于50則表明系統不可接受。

繼而通過2個開放式問題的訪談了解用戶對系統的主觀體驗：①請您談一談使用感想；②如果對系統進行優化，您認為最應該改善的是哪個部分？

3.3 測試任務

受試者參照花和羽毛的流體畫創作的視頻，在內測試任務中分別完成了2個主題內容的創作。其過程包括：將顏料倒入畫布上混合，并利用吸管、吹風機或刮刀等工具進行調整。以上案例作為測試樣本有3方面的原因：①這2類主題的創作在流體繪畫中較為常見，具有代表性；②難度適中，適合新手用戶；③在花和羽毛的創作中分別用到了吹風機和刮刀2種特殊效果工具。可以達到檢驗系統能否模擬流動效果的目的。

3.4 測試流程

(1) 培訓。向受試者介紹測試的目的和作用，并強調測試的重點是產品的可用性，而不是其個人的能力和表現。之后，介紹系統的總體功能并對用戶界面、Oculus CV1和Oculus Touch手柄等的使用進行講解。為了促進受試者對流體繪畫的理解，要求其分別觀看現實中花和羽毛的創作視頻。

(2) 練習。受試者帶上頭戴式顯示設備，進入虛擬空間，自由練習。在練習中有任何疑惑均可提問，但不涉及工作流程。每位受試者的培訓時間為15～20 min。

(3)執行測試。受試者完成2個案例的測試。期間，鼓勵受試者說出正在思考的內容。由于藝術創作具有自主性強的特點，因此測試計時但不限時。在此過程中，用戶操作細節及結果均被記錄到日志文件或錄制為視頻。

(4) 繪制完成后填寫SUS問卷并進行訪談。

另外，為了測試系統原型及設計方案和流程，在正式測試前，對3位藝術專業的學生(2位本科學生，1位研究生；2位女性，1位男性)進行了預測試。通過預測試，確定了數據收集狀況以及受試者對問卷的理解程度和測試所需時間。測試環境及設備如圖3所示。

圖3 測試環境及設備

3.5 測試評價

本文為2個案例設計了6個筆刷，通過選用筆刷和調整參數完成案例是本測試的關鍵步驟。對于案例1，主要使用普通筆刷1，以及帶有2種不同吹風機特效的筆刷2和3；對于案例2，分別使用普通筆刷6，以及帶有2種不同刮刀特效的筆刷7和8。其中預制筆刷的排列，先右后左，每列自上而下被命為筆刷1～9，其中2，3，7，8為特效筆刷。

4 結 果

測試為期2周，共有13位藝術專業的學生參與了正式測試，其中男生5人，女生8人；9位本科生，3位碩士生和1位博士生；年齡19～28歲。7位曾有過VR體驗；9位學過繪畫，其中，7位的繪畫基礎超過1年。就流體繪畫方面的經驗而言，有5位聽說過流體繪畫，僅有2位畫過流體繪畫。所有的受試者均為首次使用本文系統。不過，有2位表示，“雖沒用過該系統，但用過類似的”。均無視覺障礙，且均為右利手。

4.1 SUS量表結果

圖4為13位受試者的SUS總分以及相對應的形容詞等級[23]。不難看出，所有的受試者均認為系統可用性不低于一般水平。其中，6/13的受試者認為可用性良好或優秀，7/13受試者認為可用性一般。另外，研究還發現受試者的流體繪畫經驗與對系統可用性的評價存在關系。受試者5和9有過流體繪畫的創作經驗，相較其他沒有流體繪畫實踐經驗的受試者，對系統有更高的評價。

圖4 13位受試者SUS總分及相應形容詞等級

4.2 操作日志分析

在測試過程中，監控系統對受試者活動的全過程進行視頻錄制和操作日志記錄。在日志中分別記錄了每一次操作事件的時間、行為、對象、具體操作及其他相關細節(如用戶界面中參數設定的具體的值，筆刷繪制的具體位置等)。表2分別列出了行為-對象-操作3組日志記錄標簽分類及編碼表。

測試中用戶的行為分為3類：①離散事件，如點擊手柄上實體按鈕A/B鍵、通過扳機對用戶界面上按鈕(預設顏色、筆刷和紋理等)進行選擇等；②連續事件，如通過搖桿對物理參數進行調節和繪制。日志記錄事件的“開始”和“結束”及參數值變化情況。

統計工具使用頻率發現，除了案例1中的受試者5和9，其余受試者在2個案例中均選用了正確的筆刷工具。所有的受試者均完成了案例中的流體繪畫。在筆刷工具中，半徑調節工具使用頻率最高；在取色工具中，預設顏色的選用頻率也較高。藝術家在現實創作中最常調整的是畫筆的顏色和筆刷大小[10]。

表2 行為，對象及操作標簽代碼含義

10/13的受試者在第1個案例中所用的時間明顯高于第2個，如圖5所示，考慮到2個案例在難度上相近，有可能隨著時間的推進大部分受試者對系統的使用趨于熟練。本文系統可以有效地實現流體繪畫效果，且工作流程靈活，功能的設計符合用戶的習慣。

圖5 13位受試者完成2個案例所用時間

4.3 深度訪談

深度訪談主要反映受試者的主觀感受。其內容總結如下：

(1)受試者對系統的評價中(表3)，積極評價多于非積極的評價。部分受試者認為操作簡單易學、好用，體驗過程富有趣味，創作自由且能夠產生吸引人的效果。然而，一部分受試者認為交互方式、用戶界面等還存在一些問題導致體驗不佳。其中，幾條關于人體工程學的評論值得注意。首先，盡管本文采用單個手柄進行操作，繪畫時需持續保持同一姿勢，讓人感到疲勞。文獻[16]建議，使用更加輕量的輸入設備并最大程度地減少單個操作所需的精力將有望緩解使用的疲勞感。另外，“(手柄)精細操作容易手抖”的問題可能與以下幾個方面的因素有關：①繪畫時無物理依靠，控制困難；②長期執有手柄感到疲勞；③手柄的精度還無法滿足精細操作的需求；④速度太慢也會引起抖動。這在一定程度上會影響藝術家的藝術創作和表達。文獻[8]建議，訓練手部動作，或者避免過小的視覺操作動機，可以緩解不準確造成的干擾。尋找藝術和技術的平衡點也是后續迭代設計中需要考慮的重要問題。

表3 受試者對系統的評價

(2) 當問及“你覺得系統的哪些地方需要改進？”時，受試者的意見主要集中于用戶界面的交互問題上。不少人指出，用戶界面一直顯示在全景式畫布上，“容易誤觸”“很礙手礙腳”。相比而言，Tilt Brush將用戶界面從虛擬空間中的畫布上解放出來，連接在用戶的左手上，用戶界面和畫布相互獨立，互不干擾。另外，允許用戶界面隱藏也可以達到相似的效果。

(3) 受試者還提出如下建議：有3位希望增加撤銷功能。有1位希望提供更豐富的畫筆效果。還有的受試者提出，作品以圖片的形式保存下來，失去了沖擊力和表現力。

4.4 對比實驗結果

為了更加客觀地評估基于VR的全景式流體繪畫創作系統的可用性問題，及其功能特點，本文以Tilt Brush為對照對象，采用同樣的實驗設計和方法進行對照研究(圖6)。共有5名藝術專業的學生參與了該項用戶測試，并繪制同樣的2幅測試作品。其中男生2人，女生3人，包括4位大學生和1位研究生。其均有過VR體驗以及3年以上繪畫基礎。

圖6 受試者作品比較

所有的受試者均認為Tilt Brush軟件的可用性為良好及以上水平。3位受試者認為可用性良好，另2位認為可用性優秀。應用其繪制立體線條非常有表現力且使用方便，但是對于帶有動力學質感的測試畫面較困難。

4位受試者表示Tilt Brush的界面更加完善，而PFP界面的一些常用功能有待更新。1位受試者認為Tilt Brush畫板的三棱柱形界面設計擴展了畫板的空間。2位受試者認為PFP的筆刷制作流程有助于繪制較復雜的畫面，但學習其設定有一定困難。

與基于全景式繪畫空間的VR全景式流體繪畫創作系統相比，Tilt Brush的特色在于三維立體作畫空間。從體驗上來說，受試者認為2個軟件均充滿趣味，容易上手，且帶來新奇體驗。

5 操作日志可視化分析

對于藝術繪畫應用，用戶在5 min左右的繪制過程中，將進行1.0～1.5萬次左右的操作，這些操作具有明顯的規律性和隨時間變化規律。本文通過可視化方法，更加直觀完整地表現用戶行為模式，并從中分析用戶行為特點。將行為-對象-操作編碼分別實時可視化(圖7)，從中詳細地觀察到4.2節中通過量化分析方法總結出的用戶替換和使用筆刷的頻率和模式。

圖7 實時可視化((a)行為-對象-操作日志可視化；(b)關鍵事件可視化)

進一步將不同用戶的行為可視化圖像進行比對，并直觀地呈現其用筆模式的異同(圖8)。一些受試者傾向于先用預設普通筆刷完成草稿，而后用特效筆刷來實現流動的效果，另一些則交叉使用預設普通筆刷和特效筆刷。圖8(a)中的m1段用戶頻繁更換顏色并測試，圖8(b)和(c)中的兩處m2段用戶花更多時間精細選擇顏色并頻繁使用固定顏色。類似的用筆模式區別在筆刷和參數的工具使用中也被觀察到。在測試筆刷的過程中，圖8(a)和(c)中的m3段用戶用筆頻率階段性高低變化。圖8(d)中的m4段用戶有繪制與休息思考間歇的行為。這些模式為今后進一步量化分析提供了新的思路。

用戶使用過程中頻率最高的關鍵事件對應于行為-對象-操作等3組參數的組合，并對這些事件單獨進行編碼(表4)，將4.2節中離散事件和連續事件分別呈現在事件可視化畫面中，為直觀分析提供更清晰的輔助工具。進一步觀察到繪制、選筆刷和顏色這3類關鍵事件在本系統的用戶行為中最具代表性，因此，本文從關鍵事件可視化中提取上述3個事件的圖像合成，作為主要事件分析的工具(圖9)。通過3個事件的用戶比較可觀察到上述行為規律。

圖8 用戶比較及舉例((a)行為；(b)對象；(c)操作；(d)關鍵事件))

表4 行為-對象-操作及其對應關鍵事件和事件編碼

圖9 繪制(黃色)，選筆刷(綠色)和選顏色(粉色)3個代表性事件的用戶行為模式比較

6 討 論

本文以流體畫為例，研究了基于VR的全景式流體繪畫創作系統的可用性問題，得到以下結論和發現：首先，該系統能夠有效地支持在VR空間模擬流體繪畫效果。即便是一個毫無經驗的新手用戶也可以利用該系統完成流體繪畫的創作。同時，所有的受試者均認為系統的可用性不低于一般水平。具有流體繪畫實踐經歷的受試者對系統的可用性有更高的評價。其次，從用戶的主觀評價來看，大部分受試者的體驗感受是積極的，積極評價多于非積極的評價。不過關于用戶界面的交互，以及幾個人體工程學方面的問題還有待進一步深入探究。總而言之，系統具備較好的可用性。

在進行用戶行為模式分析過程中，本文針對日志結構開發了可視化的工具，并從中分析到用戶行為模式。在未來，研究將延伸至對操作日志的進一步可視化分析，使研究人員可以及時了解用戶的操作行為、監測用戶的創作過程，為基于VR的全景式流體繪畫創作系統的可用性評估提出進一步研究建議，從而豐富VR應用的可用性評估方案。

盡管360°全景式球幕為人們提供了環繞式的全方位繪畫空間，受試者可充分利用全景式空間。除了培訓案例的局部性因素，對新手用戶而言，適應并開展沉浸式的自主創意需要一個過程。這也是后續工作需關注的問題。

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A usability study of panoramic fluid painting system in immersive virtual environments

ZHU Yong-ning1, GE Ting1, DU Sheng-yu2, LOU Ze-ru1, WANG Jian-min1

(1. College of Arts and Media, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Tencent TiMi T2 Studio, Shanghai 200233, China)

Immersive Virtual Environments (IVEs) bring more realistic immersion and in-person experience to 3D scenes. Besides, 360-degree panoramic images are imperative for the effective creation of immersive environment backgrounds. Panoramic Fluid Painting (PFP) introduces a novel creative tool for panoramic painting with fluid dynamics. In this paper, the applicability of virtual reality technologies was investigated in the field of fluid painting. Specifically, the user testing method, operation log analysis, post-hoc questionnaire, and interview were employed to study the usability of the PFP system in virtual reality environments. Then, the operation log was investigated to facilitate procedural analysis. All testers believe that the usability of the system was no lower than the average level, and even a novice user can use the system to complete the creation of fluid painting pieces.The users primarily held positive opinions on the function and effects of the system, insisting thatsuch interaction methods of the handle would enhance the expression of artistic creation. The methods and results of the research would provide a reference for the development and evaluation of similar systems.

usability; effectiveness; user experience; virtual reality; fluid art

TP 391；TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050833

A

2095-302X(2021)05-0833-08

2020-11-19；

2021-02-20

19 November，2020；

20 February，2021

國家重點研究發展計劃項目(2018YFB1004903)；國家青年科學基金項目(71804126)；同濟大學精品實驗教學項目和同濟大學研究生教育研究與改革項目(2020JC35)

National Key Research and Development Plan of China (2018YFB1004903); National Youth Science Fund of China (71804126); Excellent Experimental Teaching Project of Tongji University and Graduate Education Research and Reform Project of Tongji University (2020JC35)

朱永寧(1981–)，女，北京人，助理教授，博士。主要研究方向為交互媒體藝術和物理模擬。E-mail：yongningbrg@qq.com

ZHU Yong-ning (1981-), female, assistant professor, Ph.D. Her main research interests cover interactive media art, physical based simulation and animation. E-mail：yongningbrg@qq.com

王建民(1973–)，男，內蒙古包頭人，教授，博士。主要研究方向為交互設計。E-mail：wangjianmin@tongji.edu.cn

WANG Jian-min (1973–), male, professor, Ph.D. His main research interest covers interactive design. E-mail：wangjianmin@tongji.edu.cn