智能家居場景下的兒童游戲交互設計研究

李萌，賈云鵬

智能家居場景下的兒童游戲交互設計研究

李萌1,2，賈云鵬1

（1. 北京郵電大學 數字媒體與設計藝術學院，北京 100876；2. 中國傳媒大學 動畫與數字藝術學院，北京 100024）

智能家居環境為家庭中的游戲設計提供了新的可能性。探討在新場景下面向兒童的智能家居游戲交互設計策略，展示設計案例和實踐。簡要概述智能家居的含義，說明游戲作為家居活動對家庭成員的重要性。之后引入智能家居場景下和兒童游戲設計緊密相關的3種交互技術，分析了該環境為兒童游戲設計帶來的改變。最后依據相關案例推導出設計策略，展示了一個設計實踐。智能家居中可交互的表面和沉浸式空間體驗，為兒童游戲機制和體驗帶來了拓展空間。新場景下的兒童游戲設計需要考慮并充分利用家居空間中的可交互表面，同時根據兒童用戶的行動特征選擇交互空間，規避雜物造成的空間交互障礙，為兒童和家庭成員提供具身性、可協作、更自然的家居游戲體驗。

智能家居；兒童游戲；游戲設計；交互設計；自然人機交互

隨著智能技術在居家場景中的廣泛應用，智能家居為用戶帶來了更具自動化和便利性的生活。2019年新冠疫情席卷全球，兒童在家庭場景中的游戲時間也因為居家生活而不斷增加。游戲是兒童生活中的重要組成部分，也是兒童探索世界、和他人建立聯系的重要活動。在家居智能化的背景下，兒童的游戲形態發生了變化，也因此帶動了這一場景下游戲設計策略的迭代和更新。

針對用戶在智能家居場景中的游戲設計，學術界近年來已有相當數量的前沿研究案例散落在設計學、游戲學、計算機科學等領域的國際會議和重要期刊中，但這些案例大多為面向某一具象的智能家居場景，或某一具體游戲機制的案例設計，鮮有針對新場景下新變化、新策略的梳理。在此背景下，本研究除了梳理面向兒童用戶的智能家居場景下游戲的新形態和新變化，還歸納相關案例并提出設計策略，最后展示了一個原創設計實踐，為設計師和相關研究者提供新思路。

1 智能家居的含義及游戲活動在其中的重要性

1.1 智能家居的含義

在早期研究中，智能家居是一個相對寬泛的概念集合。這一名詞往往和全家自動化、智慧家庭、可被感知的房屋等名詞混用[1]。此前，智能家居的定義等同于自動化住宅，這一概念忽略了家庭環境中人與機器之間的交互[2]。Frances Aldrich認為智能家居是能夠響應并預測居住者需求的住宅，它能夠通過技術提升居住的舒適性、安全性、便利性和娛樂性[3]。Kirsten Hanssena[4]的研究將“家”的含義從居住場所拓展到物理和精神層面的活動空間，使居住者感到家庭關系的連續性，并提供身份和價值認同。這一觀點因為將“家”的含義進行了延伸而頗具啟發性。在上述研究的啟發下，本研究提到的智能家居場景既包含與外界連通的家居空間，還涵蓋了居住者在家庭環境中進行的一系列智能活動。智能家居由燈光和設備控制、安全報警控制、娛樂系統控制、遠程醫療控制等模塊組成[5-6]，具有環境智能化、服務智能化和溝通智能化的特點[7]。

1.2 游戲活動在智能家居中的重要性

游戲是3～6歲學齡前兒童的主要活動類型。研究表明，學齡前兒童在玩電子游戲上花費了大量的時間，游戲除了為孩子們提供有趣味性的互動體驗，還能促進幼兒的認知發展、社交互動、體育活動和健康行為[6]。在居家生活中，兒童的游戲行為大多需要家庭成員的陪伴，因此游戲還起到了充實家庭活動、提升家庭成員運動或學習能力的作用，是增強家庭成員關系的紐帶。

電子游戲對兒童的影響是一個在學術界引起諸多爭議的話題。現在主流的兒童電子游戲以屏幕交互為主，有研究認為，這些電子游戲導致兒童養成久坐不動的生活方式，阻礙了孩子們和家庭成員、同伴之間的社交生活[7]。不過，設計得當的電子游戲能夠為兒童帶來更好的情感和社交體驗。因此，如何化解電子游戲導致孩子久坐不動與游戲能夠帶來認知和情感提升的這對矛盾，近年來成為研究者關注的焦點。智能家居作為普適計算的應用，其中包含的自然交互界面能夠為用戶帶來多模態、自適應的反饋，為以家居中實體物為游戲對象或界面、全家協同參與的電子游戲形態提供了誕生的土壤。遺憾的是，當前研究探討智能家居中兒童游戲的文章較少。因此，本研究探討的范圍，主要為學齡前兒童及其家庭成員共同在智能家居環境中進行的協作性親子游戲。

2 智能家居環境下的兒童游戲人機交互技術

人機交互是電子游戲技術中的重要部分，面向不同類型的玩家，交互方式直接影響游戲機制和游戲體驗。在降低認知負荷的前提下，更加自然的交互技術能夠降低兒童用戶的學習成本，為他們帶來更真實的游戲體驗。在智能家居環境中的游戲交互技術有很多，其中空間增強現實、語音交互、實體交互是其中的代表（見圖1）。本章節概述了當前智能家居環境下的兒童游戲人機交互技術，為下一章節中對新場景下兒童游戲新變化的論述作準備。需要說明的是，本部分內容并非遍歷了所有的電子游戲人機交互技術，而是選擇適用于智能家居場景下的相關技術進行闡述。

圖1 智能家居中的兒童游戲場景

2.1 空間增強現實技術

空間增強現實（Spatial Augmented Reality，SAR）能夠通過投影等各種技術方式在物理空間內顯示出虛擬內容。因為融合了物理和數字空間，并且允許多個用戶觀察融合后的場景，所以空間增強現實適用于具有空間感知、環境感知的智能家居系統。這一技術在物理空間中的顯示有基于顯示屏、空間光學穿透和基于投影的空間顯示這3種[10]。基于投影的SAR具有投影光路可能被遮擋、對光照和投影材質有一定要求的缺陷，但是這一類型的SAR在智能家居系統中更能滿足整體房間的沉浸式要求。IllumiRoom[11]是一個投影系統，它通過擴展、模糊電視屏幕的邊界，將屏幕中的內容和房間環境融為一體，從而給客廳的游戲用戶帶來全沉浸的游戲體驗。當游戲開始的時候，房間會變為游戲中風格化的樣子，和電子游戲中的效果進行匹配。RoomAlive[12]是一個能夠自動對房間情況進行分析的智能游戲系統，它通過分析房間的結構布局、識別墻面和地板，將增強現實的數字游戲內容疊加到特定的房間中。RoomAlive通過投影映射和空間增強現實，可以僅在當前房間的地板范圍內生成游戲中的敵人。

2.2 語音交互技術

數字游戲中的語音交互技術包括將語音用于計算處理，或是用于玩家對電子游戲的輸入、輸出，但不包括玩家之間的語音交流[13]。這項研究始于20世紀70年代，最早是為了設計語言學習的游戲練習[14]。接下來，研究者們開始探索如何讓玩家用語音輸入來控制游戲，例如一些研究探索用音量和音高來控制接機類游戲的角色移動[15]。智能家居中安裝了用于檢測用戶語音行為的傳感器麥克風，數字游戲可以使用玩家的語音進行角色的發言、操作游戲中角色的行為動作（例如喊叫跳躍、射擊等），或是為角色的移動路線進行導航。在Yasuhati游戲中，玩家的音量控制游戲角色向前走：聲音越大，行走的速度越快。聲音超過一定范圍時，角色就開始跳躍[16]。語音輸入的控制方式自然且直接，并且因為容易掌握而適合兒童用戶。雖然玩家在使用語音交互玩游戲時容易胡言亂語，但卻能獲得意想不到的有趣的游戲體驗。

2.3 實體交互技術

實體交互是將實體物對象與數字信息耦合，允許用戶通過抓握、移動等自然交互方式對數字信息進行操作的交互技術[17]。由于智能家居場景中的地板、墻面等物理表面可進行感知計算，這些可觸摸的實體物表面也成為了兒童數字游戲的界面。通過實體物表面對游戲進行控制，意味著用戶可以以更加自然、具身的方式進行交互。

智能地板的交互技術是這一方向中的重要組成部分。地板對用戶行為的感知方式有計算機視覺和壓力感知2種。基于計算機視覺的方法主要通過在空間內布置攝像頭，但會產生依賴光照、有透視影響、以及多用戶交互時的遮擋問題。在臥室、洗手間應用時，還會暴露用戶的隱私。基于壓力感知的方法雖然能夠在一定程度上避免上述問題，但是卻無法準確判斷用戶當前的行為狀態。

GravitySpace[18]是一個8平方米的高分辨率可感知壓力的地板，它的感知方式是將基于攝像頭和壓力地板的解決方案進行結合，這一方案能夠覆蓋房間內墻體之間的地板面積，同時也能夠較好的保護用戶隱私。用戶和物體在地板上直接接觸時，傳感器能夠感知地板的壓力分布；用戶在和地板上的虛擬物體接觸時，研究者通過用戶姿勢、和虛擬物體的碰撞進行上下文判斷，推斷當前在地板上發生的用戶操作和狀態。用戶在GravitySpace中可以不佩戴任何設備，坐在地板上用身體直接控制賽車游戲；或是在地板上進行一場虛擬足球游戲。Lumetila[19]是一個虛擬和實體空間相混合的游戲，由帶有觸覺傳感器的交互地板和虛擬現實應用同時構成。交互地能夠精準的識別用戶的動作，從而使得用戶通過踩踏交互地板這種更自然的人機交互方式來對游戲進行控制。

IllumiRoom[11]RoomAlive[12]GravitySpace[18]Lumetila[19]

3 智能家居場景中兒童游戲的新變化

3.1 兒童游戲空間的改變

傳統的兒童交互游戲主要發生在以屏幕、頭戴顯示器為主的虛擬空間等。這些以桌面計算機和虛擬現實頭顯為代表的計算設備在可計算媒介、兒童和環境中實施了隔離。智能家居中兒童用戶的游戲行為伴隨著對空間的感知和環境嵌入。孩子在空間中自如的移動，聚焦在屏幕、電視、桌面等傳統游戲的空間被拓展到了整體家居空間，交互界面從屏幕和手柄拓展到了家居中的可觸表面。空間的改變對兒童的電子游戲交互界面和交互區域產生了影響。

1）家居表面作為游戲的交互界面。通過和家居環境相配合，游戲機制已經不僅局限于傳統圖形用戶界面、虛擬現實空間內的游戲類型。在此場景下，出現了在家居空間內借助智能地板和墻面的虛擬足球、舞蹈，以及利用房間內家具和空間、光影聲音相互配合的講故事游戲等新的游戲形態。SmartTiles是可以單獨進行編程的智能瓷磚[20]。每一塊方形瓷磚上都排布了4×4的燈光陣列數組，并且內嵌了獨立的小型計算機。其中，智能瓷磚上的每一盞燈都可以通過直接按壓來切換“點亮”或“關閉”狀態。智能瓷磚允許用戶進行編程，并且可以通過拓展來擴大面積區域，同時可以通過觸摸來改變瓷磚上的燈光狀態，形成圖案。

2）家居空間適配游戲交互區域。房間中的墻壁、地板、家具等實體物，以及映射在其上的虛擬物不僅可以感知兒童對象的位置、行為和情緒，還能夠為兒童提供反饋。換言之，當孩子們在智能家居空間中用身體進行具身性的協作游戲時，他們知道房間會做出反應。在這種模式下，智能家居被打造成為一個天然的游戲環境。Hide and Seek是一款智能墻紙[21]，這款墻紙允許兒童在墻面上和數字角色玩“躲貓貓”游戲。父母對家居表面作為游戲界面感到滿意，因為實體界面能為孩子帶來不同的觸摸感受，并且幫助他們從iPad前站起來。

圖3 智能家居場景中兒童游戲的新變化案例

3.2 向更加自然的交互方式轉變

無論是電子游戲機上的跑酷、射擊游戲，還是以Wii為代表的體感游戲，用戶都不可避免地要去學習點擊左右按鍵、跳躍、揮動手柄等操控方式。這些操控方式對成年人來說可以迅速習得，但對兒童而言則需要更高的學習成本。自然人機交互技術下，兒童在場景中用身體來進行操作，配合語音、表情識別等進行更加自然的多模態交互。

1）多模態交互的游戲輸入輸出。Magika[22]是一個基于物聯網的兒童活動空間，它包含了墻面和地板投影的虛擬世界，以及由玩具、燈、其他智能對象構成的物理世界。Magika能夠自動收集空間動作、跟蹤面部情緒和聲音并進行特征提取。Kid Space是面向兒童的智能交互空間，它通過投影對兒童在房間內的狀態進行感知[23]。兒童在空間中進行多模態的輸入輸出，與物理空間中的對象進行動態交互。在Kid Space中使用了包括文本、聽覺、語言、視覺等多種模態：兒童進行移動、和物理對象交互時使用了視覺模態；兒童和虛擬化身進行對話時使用了語言、聽覺模態；投影顯示圖像和文本時使用了視覺模態。在Kid Space中，孩子們可以通過觸摸手勢、空中手勢、姿態動作、面部表情、語音對話等多模態交互方式來和虛擬角色奧斯卡進行互動，例如假裝給奧斯卡喂早餐、向奧斯卡提問等。

2）基于情感計算的自適應游戲處理系統。玩家在電子游戲中的情感需求有3個，即系統輔助玩家以減少挫敗感、根據玩家狀態調整難度、與玩家進行情感連接。在游戲中遇到困難和挫折會導致兒童玩家的游戲興趣降低。基于情感計算的自適應游戲系統能夠根據玩家的狀態、情緒調整游戲難度。有研究者開發了基于面部情感計算的打地鼠學習游戲系統，并得出了情感計算用于自適應游戲中能夠提升玩家主動性的結論[24]。

3.3 從離身到具身的兒童游戲體驗改變

傳統的兒童電子游戲具有離身屬性。孩子在屏幕前接受數字化的圖像、聲音和交互指令，然后通過鼠標、觸屏或其他控制終端進行操作。雖然兒童處于游戲之外或游戲之中，兒童、游戲和家居空間之間的關系是具有明確界限的。

智能家居環境為兒童電子游戲創造了具身的可能。兒童融入環境中和游戲進行交互，身體的參與能夠提供強沉浸感，從而幫助孩子更好地對游戲進行感知。KidsRoom[25]是麻省理工學院的媒體實驗室（MIT Media Lab）研發的一個基于感知互動的兒童智能房間。房間通過計算機視覺算法來對兒童在空間中的行為進行識別。KidsRoom不僅能夠感知運動的位置和方向，還能夠通過上下文來對不同類型的動作進行判斷。孩子們可以在不佩戴傳感器、頭戴式顯示器、麥克風等設備的前提下進入臥室，臥室中的床、柜子、架子均扮演了故事中的角色或道具。例如，可移動的床在森林中是一棵樹，在河流中則是一條船。孩子們靠近家具時會得到諸如“嘿，我是海盜的箱子！”這樣的語音提示。兒童可以根據提示靠近下一個家具并尋找故事的線索，并按照提示大聲喊出咒語，從而推進故事。在圖像、燈光、音樂等效果的映襯下，KidsRoom將兒童臥室打造成為一個智能敘事空間，孩子們在引導下，完成了一個冒險故事的扮演和敘述過程。

3.4 智能家居控制呈現出游戲化趨勢

游戲化是指在非游戲場景下引入游戲設計元素，如積分、等級、任務等[26]。智能家居的控制呈現出游戲化趨勢，具體表現在日常家居操作的趣味性提升。

AmI@Home是一個智能家居的管理和配置系統[27]。這一系統將游戲機制引入系統規則之中。每位家庭成員都有一套積分，可以通過規則向其他家庭成員申請設備或請求服務。例如管理烤箱將獲得100積分，在廚房沒有人且烤箱運轉過久的情況下，家庭成員會收到“關閉烤箱”的邀請，他們在收到通知后可以對烤箱進行操作，成功后會獲得積分。

4 智能家居場景中兒童游戲的設計策略

根據上文對智能家居環境下兒童游戲人機交互常用技術的介紹，以及相關場景中兒童游戲的新變化，推導出智能家居場景中兒童游戲的3點設計策略。首先，智能家居場景的空間變化導致了兒童游戲空間的改變，這一變化將鼓勵兒童游戲交互和家居空間更好的融合；其次，智能家居中的人機交互從傳統的交互方式向著更加自然的交互方式進行轉變，促使這一場景下的游戲設計為兒童和家庭成員提供多模態的交互方式；最后，孩子們在智能家居環境下能夠身處游戲場景的包圍之中，身體的沉浸讓兒童獲得具身體驗的可能性。因此在游戲設計時應充分考慮從離身到具身的游戲體驗改變。

圖4 智能家居場景中兒童游戲的新變化及其應對策略

4.1 將兒童游戲交互與家居空間相融合

得益于兒童善于幻想的天性，智能家居游戲能夠使他們在房間內展開想象。游戲的界面和設備隱藏在家居環境中，桌面、地板、墻面等空間組成和智能家具均可以作為交互界面。

智能家居并非意味著無限增大的居住空間，而是針對特定空間具有特定的智能設計。在不同的房間大小和布局中，兒童游戲系統通過分析房間的外觀來對墻面和地板的尺寸和空間信息進行捕獲。游戲機制雖然大體相同，但根據空間特點，會表現出不同的場景形態。

4.2 為兒童和家庭成員提供多模態游戲交互

調用多種感官的交互方式能夠為兒童帶來全方位的感官刺激，可以提升兒童用戶的參與度和積極性。在智能家居環境中，嘗試將數字化的虛擬物品和家居物理空間進行疊加，同時減少兒童用戶在游戲時的穿戴設備。通過實現兒童在空間中的自由移動，帶來更加自然的多模態交互體驗。然而，多模態交互方式需要考慮兒童的年齡特征，例如低齡兒童不適于過多的全屋投影或全沉浸式虛擬現實技術（如VR），這將對兒童的視力發展造成傷害。

4.3 有選擇性地制定兒童用戶和家居空間的游戲交互區域

實際上，智能家居中的一些環境并不適合進行觸摸和交互。因為家居環境中除了相對固定的家具，還會擺放裝飾品和一些易碎物品，例如桌子上的瓶子或是墻面上的油畫。對于兒童用戶而言，這些很容易帶來行動上的安全隱患。因此，在當前智能家居兒童游戲設計中，多數游戲交互空間應考慮地板、墻面、桌面等更加寬闊的空間。

5 智能家居場景中兒童游戲的設計實踐

根據智能家居場景中游戲的新變化和設計策略，下面展示一個兒童游戲設計實踐——智能游戲桌。

5.1 兒童智能游戲桌的組成模塊

兒童智能游戲桌由3個模塊組成，即一個支持協作的兒童和家庭成員用戶輸入模塊，由實體交互桌面以及能夠被感知位置和速度等信息的棋子組成。實體交互桌面是一個能夠滿足多點觸控的電容觸摸屏；一個邏輯處理模塊，由計算機及其中的交互應用程序組成，用于記錄用戶的操作，并將操作的步驟和內容存儲進數據庫；一個增強現實投影顯示模塊，用于為兒童和家庭成員提供游戲化的閱讀內容、增強現實環境體驗和游戲后的故事生成。

5.2 主要游戲過程說明

兒童智能閱讀桌面能夠滿足多人同時游戲。父母和孩子來到閱讀桌面前，選擇舒適的位置坐下來準備開始游戲。首先，在增強現實模塊提示下，父母陪伴孩子開始電子繪本的閱讀。這部分閱讀不帶交互操作，并且父母需要為孩子進行故事朗讀。故事的最后留下一個懸念，如“小男孩能否戰勝機器人？”此時，父母和孩子來到游戲桌前，選擇各自代表的角色。

孩子和父母選擇桌面上的積木角色進行扮演。桌面上小棋子的移動，映射了角色在故事中的運動，見表1。

兒童和家庭成員一邊擺弄棋子，一邊在增強現實投影上觀看實體棋子映射在數字化世界中的動畫。例如當兩個棋子接觸、相撞時，兒童和家庭成員完成打斗后，將在投影中觀看到虛擬角色的一段打斗動畫。除此之外，增強現實投影允許角色在不同場景中切換，讓用戶感受到不同的沉浸式動畫體驗，并且錄下自己編織的故事。

游戲交互完成后，孩子可以和家庭成員共同欣賞剛才的游戲動畫錄像。兒童可以在這個環境內開展各種各樣的表演嘗試，同時扮演不同角色，錄制故事動畫并且欣賞故事。

5.3 技術細節闡述

兒童智能游戲桌擁有一條相對固定的故事主線。在軟件層面，首先通過故事背景的介紹進入場景模式。經過場景初始化后，兒童和家庭成員控制的棋子角色出現在屏幕上的初始位置。其次，通過系統的引導和提示，用戶的操作和游戲中的故事控制器進行通信，檢驗棋子的合法性。最后，系統等待用戶進行位移、旋轉等操作，將用戶的操作轉化為結構化語義服務，并將相關內容存儲到數據庫中。存儲成功后，再逐層反饋，進行用戶界面刷新，等待下一輪的用戶操作。和過往的兒童電子游戲不同的是，智能家居為人們提供了一個完全沉浸式的具身化體驗空間。這種游戲形式更利于協作，并且和兒童身體的感官體驗密不可分。

圖5 智能家居場景中的兒童游戲桌故事版示意

表1 桌面棋子運動和虛擬角色行為之間的映射關系

Tab.1 Mapping relationship between movements of pieces in table and virtual character behaviors

圖6 智能家居場景中的兒童游戲桌

6 結語

研究了智能家居中兒童游戲的重要性，歸納了面向兒童用戶進行智能家居游戲設計的關鍵技術。在此基礎上，梳理了在智能家居場景下兒童游戲的新變化，并且以前沿案例為基礎提出了游戲設計的相關策略。最后介紹了智能家居環境下兒童游戲設計的實踐案例。智能家居場景為面向兒童的游戲設計提供了多模態、全沉浸的體驗環境，同時促使兒童的交互操作向自然交互進行轉變。

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Interaction Design of Children's Games in Scenarios of Smart Homes

LI Meng1,2, JIA Yun-peng1

(1.School of Digital Media & Design Arts, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2.School of Animation and Digital Art, Communication University of China, Beijing 100024, China)

The smart homes environments provide new possibilities for home game design. This paper is to explore design strategies for smart home game interactions for children in the new scenario. First, present a brief overview of the meaning of smart home and explain the importance of game as a home activity for family members. Then introduce three interactive technologies closely related to children's game design in the smart home scenario, analyze the changes brought by smart homes to children's game design. And finally propose design strategies based on relevant design cases and show a design practice. The interactive surfaces and immersive spatial experiences in smart homes provide room for expansion of children's game mechanisms and game experiences. The design of children's games in the new scenario needs to consider and make full use of the interactive surfaces in the home space, while choosing interactive space according to the action characteristics of children users, avoiding the spatial interaction barriers caused by fragmented furniture, and providing children and family members with an embodied, collaborative, and more natural home game experience.

smart home; children’s game; game design; interaction design; natural human-computer interaction

TB472

A

1001-3563(2022)16-0068-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.16.007

2022–03–12

北京市社會科學基金青年項目（21YTC037）

李萌（1983—），女，中國傳媒大學動畫與數字藝術學院博士生，北京郵電大學數字媒體與設計藝術學院講師，主要研究方向為兒童繪本的交互敘事設計和信息設計。

賈云鵬（1976—），男，博士，北京郵電大學數字媒體與設計藝術學院教授，主要研究方向為數字影像設計和虛擬現實影像設計。

責任編輯：陳作