走向循证的体验设计：基于虚拟现实的认知人因分析平台研究

吴振东 孙楚俏 艾小群

摘要：虚拟现实对于设计学是一种以认知人因学为理论基础，信息化仿真技术为支撑，将非理性的感性意象信息加以量化与循证的研究范式。分析其研究属性，并进一步阐述虚拟现实对于设计研究的重要特征：多维度体验感知人因综合分析平台的有效性。并用虚拟现实眼动联动的实验方法对主题地铁的空间设计加以分析与设计策略研究。据此探讨如何应用智能技术来研究人的动机和行为，及潜在需求，有利于构建以人的认知为中心的设计研究体系，重新理解沉浸式虚拟现实对于设计学的研究价值。

关键词：虚拟现实；循证；感知人因；设计实践

作者简介：吴振东，华侨大学机电及自动化学院讲师，博士研究生，主要研究方向：虚拟现实、空间分析、用户体验研究。孙楚俏，华侨大学机电及自动化学院研究生，主要研究方向：交互媒体设计、认知人因研究（福建 厦门 361021）。艾小群（通讯作者），华侨大学机电及自动化学院副教授，主要研究方向：交互媒体设计、认知人因研究。

基金项目：福建省中青年教师教育科研项目“基于虚拟现实眼动的地铁装饰色彩视觉影响机制研究”（JAT170030）；教育部人文社会科学青年基金“视域、视距、视角：基于3D GIS的泉州古城空间视觉特征提取与认知研究”（7YJC760100）；教育部人文社会科学青年基金“数字创意视阈下的设计构成知识更新与慕课（MOOC）建设”（17YJC760001）。

中图分类号：TP391.98 文献标识码：A 文章编号：1006-1398（2018）03-0157-08

一 基于虚拟现实的循证体验研究

上世纪80年代，设计理念从功能主义逐渐被体验为中心的设计所替代，设计更加专注于产品与人之间效率与心理感受Inns T.Designing for the 21st century：interdisciplinary methods and findings. 2010.，而设计研究不断在探索人机的交互行为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.、情绪影响Nagamachi M.Kansei Engineering in consumer product design.Ergonomics in Design the Quarterly of Human Factors Applications， 2002，10（2） ，pp.5-9.、各感官体验问题。在这些科研的推动下，当前设计学已经由传统的经验设计，逐渐向可度量的循证设计改变，许多研究大量使用定量分析和模型预测等理性的技术路径。如今设计学也深受感染，而虚拟现实技術热潮加快推动了循证设计在设计学的进度。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR），如今最常见的定义是20世纪末才兴起的一门综合性信息技术，它通过人为的技术建构，通过特定的仿真技术，以多媒体的形式存储、重现人类感官体验，以对特定的空间场所进行模拟Bachimont B.Arts et sciences du numérique：Ingénierie des connaissances et critique de la raison computationnelle.2004.。1993年Heim提出VR的七个特征：模拟性、交互作用、人工现实、沉浸性、遥在、全身沉浸和网络通信Heim M H.The Metaphysics of Virtual Reality.Oxford University Press，1994.。1994年，Burdea等出版了《Virtural Reality Technolongy》一书，在书中他们用3I：沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、构想性（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.。国内也有文科学者从视觉文化的角度，认为虚拟现实已成为哲学的显学之一，人工智能学科、社会学、艺术学都将此命题作为研究重点毛毅静：《虚拟现实的视觉文化意涵》，《现代远距离教育》2013年第1期，第8—13页.。传播学也有学者对虚拟现实的表征身体传播的开放性和符号特征形式进行了研究梁国伟、候薇：《虚拟现实：表征身体传播无限开放性的符号形式》，《现代传播：中国传媒大学学报》2008年第3期，第17—21页。。

从技术层面来说，VR主要应用三维仿真、人机交互技术，使人作为沉浸者对搭建的虚拟环境体验与交互，产生临场感赵沁平、周彬、李甲等：《虚拟现实技术研究进展》，《科技导报》2016年第34卷14期，第71—75页。。目前VR系统可以将各类数据的获取，以及多源数据/模型无缝融合，并且能在真三维显示下，形成自然化人机交互机制实时响应。这些优势对于设计学的研究，虚拟现实仅仅只是一门新兴的仿真技术；一个新的视觉现象；一种新媒体的设计样式吗？虚拟现实能为设计研究带来哪些契机、范式的更新？认知人因学、心理学理论的交叉介入，虚拟现实实验为支撑，能给设计学研究的带来哪些全新的课题与方向，无疑，这些值得学术界深入探讨。

1.虚拟的真实：沉浸体验的信度问题

应用虚拟环境来做体验设计研究，首先需要明确用户在此环境下体验是否是真实反映，与现实环境下差异有多少，信度高不高。由计算机媒介所构筑的数字化三维模型，是沿袭着传统的瞬间截取的快照方式，提供的仍然是一种静态的视觉体验。上个世纪80年代开始，美国科学家Jaron Lanier将虚拟现实技术真正实现，组创了美国VPL公司，实现了虚拟现实的商业化运作。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三度空间的虚拟世界，提供给使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，如同进入真实的空间Lanier J.A vintage virtual reality interview.Philosophy，2005，18（1）：pp.17-43.。

1966年Sutherland I. E.等开始研制头盔式显示器HMD （Rolland and Cakmakci 2005），但只到2016年，被公认为虚拟现实的元年，是因为2014年oculus rift、2015年Project Morpheus、2016年HTC VIVE三大头显式虚拟现实设备的广泛普及化应用。三大设备都是采用第一人称视角的虚拟现实环境，画面运动的支点是被试的眼睛，被试视线的移动如同在真实场景中一样，这种空间上让人产生强烈的认同感。从其产品的商业运作的成功，已经能说明强大沉浸感与拟真度。

在虚拟场景中，人的移动与系统交互行为主要依靠手柄完成。心理学家Riecke等人使用虚拟现实的方法研究表明，虚拟现实的真实感可以在真实的移动与虚拟的移动之间建立直接的联系，产生同样的生理、心理反馈。人们可以通过视觉引导，就可以完成在空间中的行走、位移、信息确认等任务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.。沉浸式虚拟现实是360度无死角的全息环境，1993 年Beer的研究显示，人们可以在虚拟环境中对物体之间的空间关系不断地进行认知加工。包括空间定向、定位、轨迹追踪、深度认知、表象转换等高级空间认知加工过程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.。

在虚拟环境下，执行复杂任务的交互效率与行为模式会怎样？设计学的学者也就此设计了实验。Vincent Rieuf和Carole Bouchard将沉浸式虚拟环境下与传统实景下的作业的效率、满意度、体验感受等做了对比测试，将用户在两种环境下进行一系列的概念设计的任务（草图绘制、概念设计等），结果发现虚拟环境下没有影响其工作成效，在某些环节体验还更好。这是一个目标任务的测试，实验表明沉浸式虚拟环境下人的行为、感受、思维与真实环境无异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，虚拟现实媒介是可以通过数据流营造一个信度高的体验环境，为研究提供了可量化的平台。

2.虚拟现实循证设计的应用范畴

在不断加快的信息化进程中，虚拟现实所搭建的虚拟空间，早已超越了辅助设计工具的范围，成为研究范式中的一个利器。其作用可以关注人的认知过程，如感知、记忆、推理和响应等过程。力图将非理性的感性意象信息加以量化，服务于对人机系统的设计、评估、优化以及规范定制，此类大量的研究都是基于虚拟现实。这些研究内容正是设计学所关注的痛点，“工欲善其事，必先利其器”，研究者还需深知利器之利弊，利器之用途，才能为学所用。虚拟现实技术所搭建的场景，在认知人因学的引导下，不断探索循证设计，已经不是一个单纯的复制现实的环境，而是能够将设计中的体验问题放在一种三维可视化的综合、量化、理性的分析并进行度量研究的平台Fuchs，P.，G.Moreau and A.Berthoz.“Le traité de la réalité virtuelle volume 1：LHomme et lenvironnement virtuel.” In.2006.。这个平台是具有数据采集更精确，数据信息更丰富，分析更理性，知识挖掘更客观，验证体系更完善，成果应用更可持续的特点的科学实验定量研究。建立的是一套可供评估、推演、验证和预测、证伪的数理化逻辑系统。可用于设计初期的概念、解决方案预测；也可在设计中期，将产品中体验度量的数据化[美]汤姆·图丽斯、比尔·艾博特：《用户体验度量：收集、分析与呈现》，周荣刚、秦宪刚译，北京：电子工业出版社，2016年。，探索理解不同人群的多维度的视觉、心理、行为特征；也可以在设计后期从量化的数据中对设计进行评估，为迭代设计提出完善方案，并可形成行业共享的相关设计信息Tovey M，Porter S，Newman R.Sketching，concept development and automotive design.Design Studies，2003，24（2），pp.135-153.，减少用户与整个设计群体之间的认知摩擦 [美]库珀等：《软件观念革命：交互设计精髓》，詹剑锋、张知非译，北京：电子工业出版社， 2005年。，是设计学研究的趋势所在。

二 多维度的体验感知人因仿真综合分析

在虚拟空间中，研究人的认知，还须借助外界设备与技术手段才能实现，目前常用的的实验体验途径：头盔显示器+体感数据传感系统。体感采集与记录设备常用的有：眼动仪、近红外、脑电波、动作捕捉、肌电、皮电、心电等。从认知学的角度来说，感知可分为“感觉”与“知觉”两部分，感官接受刺激信息，叫做“感”，从信息传到大脑认知形成意识称为“知”。上述的这些仪器可以获取用户体验中的视知觉、听觉、脑部活动、行为模式等的感知数据，做单项或综合的观察與描述性统计，从而发现潜意识的需求。因此，虚拟现实为设计师搭建了全新的多维度感知人因综合分析平台。（图1）

通过上述的外置仪器，虚拟环境下可以将用户的感知过程中的动态生理信息进行同步实时采集。目前设计学研究用的最成熟的就是虚拟眼动数据，即头显式虚拟现实内置眼动仪，人们日常生活中约有80%—90%的信息来源视觉，50%的脑神经细胞与视觉相连，信息的视觉体验可以充分利用人类的视觉潜能和脑功能。因此，视觉感受是人们接受信息和认知世界的重要途径。常用仪器比如，Tobii的眼动系统，通过采集人机交互过程中用户的视觉系统的数据来洞察用户的视觉认知，分析人机之间的交互关系。主要有三大类数据，第一，热点图：能够分析用户在注视内容上的集中趋势与停留时间。第二，视线扫描路径：能够呈现注视点的移动路径变化，用于分析用户观看时眼动行为。第三，兴趣区：测定特定元素、特定区域内的视觉注意力。分析停留时间、注视点数量、注视时间、浏览顺序、首次注视所需要的时间、重访次数、命中率这些指标，获得特定区域上的具体数据[美]珍妮弗·罗马诺·伯格斯托姆、安德鲁·乔纳森·沙尔：《眼动追踪：用户体验设计利器》，宫鑫、康宁、杨志芳译，北京：电子工业出版社， 2015年.。

其次，虚拟现实也常与近红外、脑电波配合，通过对信息认知加工的大脑皮层活动的测量，来評估用户在人机交互过程中的情绪、注意力、记忆等问题。还有生理多导，肌电、皮电、心电等技术。肌电是神经、肌肉刺激下发放生物电的结果。通过人机交互过程中，采集肌肉活动时相关的肌电信息，常用于研究揭示肌肉活动的规律。皮肤、心率的传导性也与人机交互情绪特征的加工有紧密联系。比如图片、视频、动作这些产品设计的刺激物，可以作为唤起交感神经系统的活动，或者使心率快慢变化，血管收缩、扩张，皮肤汗腺变化等，让研究者测试用户的情绪。

还有行为操作分析，可以对设计中的人机（系统）功能分配；任务完成情况：时长、操作、交互等分析；用户需求分析；人机负荷评估中提取刻画人的行为或状态的特征原语等。解释设计现象或产品中各种元素之间的关系，通过数据并分析其心理、生理反映，挖掘人的深层次的交互感知体验。

三 VR眼动人因方法下的主题地铁空间设计评估

以成都、广州两个城市的主题地铁作为典型性案例，厦门标准地铁为参考对象，建立三维仿真可交互的虚拟场景。依据视觉注意力原理，应用虚拟现实内置眼动设备设计实验。以此解析对同一位置不同主题设施设计的对比分析，和同一主题不同位置空间界面设计的对比分析，提出当下主题地铁设计的优化策略，提升设计的可用性。

1.设计案例调研与样本选取

本项目通过对全国24个城市的主题地铁设计的收集，69个主题选取两个具有代表性的实验样本，分别为：成都3号线主题地铁：提取具有成都地域性文化的熊猫为设计元素，将熊猫造型融入到座椅、把手、侧墙的外观设计中形成立体造型。广州主题地铁：以广州6号线主题地铁为参考样本，以卡通元素为主的主题地铁。厦门1号线标准地铁：目前国内标准地铁多是此种无主题的模式。如图2所示。

2.实验过程

本实验共有被试者30人，年龄在18—35岁之间，为保证所有被试者的认知水平相同，被试者皆无虚拟现实体验经历，所有人均有坐过地铁的经历。被试的裸眼视力或矫正视力均为正常，无色盲。被试者置身于虚拟场景中进行120 s随意观察漫游的视觉活动。

首先将地铁内部空间进行兴趣区的划分。由图3可知，地铁车厢内部按空间区域和功能设施可划分成六个色彩不同的兴趣区（AIO）为：顶面、侧墙、端墙、地面、把手、座椅。所有在这六个兴趣区内的首次注视时间、停留时间都将被记录，利用spss软件对眼动数据进行均值、方差统计分析，评估车厢内部设计。

3.实验结果分析

1）不同主题的设施设计的对比分析

不同的主题地铁在同一位置不同的设施设计手法，如图4。 并对采集这些设施的眼动数据加以分析，如表1。

通过上述分析得出，对于主题地铁设施设计的方法可分为两种：1.可采用与周围环境形成色彩对比的设计；2.可采用立体造型设计。两者各有利弊，设计策略如表2所示。

2）主题空间界面设计的对比分析

地铁车厢空间界面可分为：顶面、地面、两边侧墙和端墙四个位置，是乘客视觉接触面积最大的，需要满足功能技术与空间审美层次的双重要求。实验以广州、成都主题地铁对比分析，探讨同一主题不同位置墙面设计对用户的视觉停留及关注度的影响分。总结出地铁内部不同位置的设计特点。

首先对停留时间眼动数据进行方差分析。位置*主题的显著性Sig=0.027<0.05，具有显著性差异，说明装饰位置和主题设计具有交互作用，装饰位置的用户眼动停留时间随主题的不同而不同。显著性Sig=0<0.05，具有显著差异，说明各位置的数据差异具有统计学意义。为进一步分析，采用描述性统计对数据进行处理，将同一主题不同位置的眼动数据进行优先排序，结果如表3所示：

通过描述性分析发现，用户进入车厢后，对不同位置会进行不同程度的信息加工。对比排序前三的位置发现，用户注视停留的区域虽有所不同，但存在着一种共性。在所有兴趣区中，被试不论在何种类型的地铁车厢内，都会在地面和侧墙这两个位置进行观察，符合人在地铁中的行为模式，也是设计中应注意的重点位置。设计策略如表4。

四 结 论

我们以循证设计为主导思想，分析基于虚拟现实的的特征和应用范畴，并基于VR眼动人因方法以成都、广州两个城市的主题地铁作为典型性案例，厦门标准地铁为参考对象，对这三个地区主题地铁的空间设计进行了评估实验。探索了以虚拟现实眼动研究的量化评估流程，最后得出硬件设施与空间界面设计的设计优化策略。验证了虚拟现实眼动实验更加完善与系统地研究人机之间的交互关系。

当下设计学的体验设计都在寻求建立一种更可靠， 更科学的学科知识体系，以提高设计决策的可信度。信息化技术的发展，头显式虚拟现实的问世，及与各类心理生理测量实验的配合，搭建基于虚拟现实的多维度的人因综合分析平台，打开了人们认知和情绪的黑匣子，将成为设计研究的新范式。

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

【责任编辑 陈雷】