头戴式虚拟现实系统用户体验的设计因素分析

2020-03-30岳鹏飞陆后军

设计 2020年3期

岳鹏飞陆后军

摘要：针对头戴式（HMD）虚拟现实（VR）系统的用户体验评价进行具体的实验设计与量化分析。以自动化集装箱码头虚拟现实系统为例，分析影响用户使用体验的可能因素，进而设计了量化分析实验，采用主成分分析法（PCA）对实验数据间的相关矩阵、各成分特征向量以及方差贡献率进行分析。得出VR系统设计过程中影响用户体验的主要因素包括整体场景的构建、动画运行的流畅度、建筑模型的构建以及自由移动。本文结论对提高虚拟现实系统用户体验的设计过程提供了科学依据，具有重要的理论意义。

关键词：虚拟现实设计因素自动化码头主成分分析

中图分类号：TP37 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）02-0134-02

引言

虚拟现实（Virtual Reality）技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，能为用户提供完全浸入式的体验。但是目前缺少客观评价虚拟现实系统的模型，适用于工业产品的多目标评价决策支持系统[1、2]并不能完全囊括虚拟现实的特点;基于虚拟现实技术的产品设计评价系统[3]局限于虚拟现实对产品评价的影响，鲜有提到对虚拟现实系统的评价;而沉浸式虚拟现实下的产品设计研究[4]中雖然提到了数学分析评价法，但是并没有提出具体的数学模型。本文采用主成分分析法[5、6]对收集的数据进行分析处理，得到客观的数学评价模型，能够为评价、分析虚拟现实系统设计因素提供科学的、客观的理论依据。

一、主成分分析法

主成分分析法是将多个原始变量转化为少数几个能反映原始变量大部分信息新变量的降维方法。希望能用较少的变量解释原资料中的大部分变量，将相关性很高的变量转化成相互独立或不相关的变量，流程如图1。

举例来说：假设原始数据矩阵为，对数据进行标准化处理，建立协方差矩阵，将特征向量按特征值由大到小排列，取前k个按行组成矩阵，通过计算得到降维后数据。若m个主成分的累积方差贡献率在85%以上，说明这m个主成分能反映原数据85%以上的信息。

二、用户体验影响因素分析

ISO 9241-210标准将用户体验定义为“人们对于针对使用或期望使用的产品、系统或者服务的认知印象和回应”。通俗来讲就是“这个东西好不好用，用起来方不方便”。

（一）整体场景的布局。整体布局是指除了人物角色造型之外的一切事物的造型设计，就是有空间层次感的场面构图。场景的设计是为了交代故事发生的时间，地点，以及位置环境。调查用户对虚拟场景的看法能够看出整体场景设计中的长处和不足之处，能够为场景的进一步改善提供依据。

（二）动画运行流畅度。流畅度包括视觉流畅与听觉流畅。流畅并不是仅仅指动画的帧频率高和画面的精细[7]，更重要的是要符合人类的审美观点和客观法则。准确来说，对流畅度的调整，更重要的是找到最适合人们观赏的表达节奏。

（三）建筑模型的观赏度。不同于以往的二维模型，虚拟现实场景中的三维模型能让用户更加直观、具体地观摩每个建筑物的外型、内部构造。但三维模型并不是简单地构建起一个立体模型，需要依据周围的人文、地理环境等进行三维景观模型构建[8。收集用户对三维模型的看法能对日后构建完美融入场景的模型总结宝贵的经验。

（四）自由移动。用户在使用虚拟现实产品时的自由移动可以看作对用户自由度的解放[9]。不同于以往动画的固定流程，用户在虚拟场景中可以自由移动、选择观摩的建筑和作业的流程，用户在其中拥有极大的自主操作权。作为虚拟现实最有代表性的特点之一，用户对之的看法显得尤为重要。

（五）场地舒适度。体验场地的舒适度也即场地的大小主要受限于两个因素：适合用户的移动范围和信号接收器的有效范围。但受限于当前的虚拟现实技术发展程度，VR头显还无法做到无线连接，并且用来定位头显位置的信号接收器的有效工作范围也有着局限，这一系列的原因都导致目前的移动场地无法过大。

三、案例分析

（一）实验背景。实验采用的是以上海洋山港四期为背景构建的一套自动化集装箱码头虚拟现实系统，如图2。场景中包括自动化码头该有的一切设施：货轮、集装箱、桥吊、轨道吊、堆场、AGV、集卡等。该系统能模拟自动化码头完整的运作流程，包括：进口卸船、出口装船、进口提箱、出口收箱、堆场翻箱。体验者可以近距离地观看到自动化码头的所有运作流程以及器械的运动，可以通过手柄和步行自由移动，自由选择观看场景和视角，贯穿全程的语音讲解能为体验者解答专业性的问题。

（二）实验过程。随机邀请上海海事大学的50名在校生进行头戴式虚拟现实系统的体验。以5人一组为单位，分10次完成所有人员的体验实验。每位同学在体验结束后都须填写一份有关虚拟现实系统体验感受的调查问卷，借助问卷星软件对问卷数据进行回收，以待下一步的处理。

（三）数据处理。采用主成分分析法对样本数据进行主成分提取后得到各功能间相关矩阵，如表1。由表1能清楚地看出各成分之间都存在着相关性，适合进行主成分分析。分析得到各成分特征值与累计贡献率与各主成分特征向量。由数据知，前四个成分特征值与方差贡献率分别为3.706，46.321%;1.382，17.279%;1.101，13.761%;1.036，12.949%。前四个成分的累积方差贡献率为90.311%，也就是能反映样本90.311%的信息，故选取前四个成分为主成分。

由主成分特征向量可知各主成分F1、F2、F3、F4的表达式：

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

根据不同主成分特征值的方差贡献率得出，综合评价函數F的表达式：F=0.46321F1+0.17279F2+0.13761F3+0.12949F4

根据构建的评价模型，代入数据计算得到权值函数值排名前十的问卷。结合方差贡献率和前十份问卷数据以及众多的理论支持[10、11]，得出头戴式虚拟现实系统影响用户体验的最主要的四点因素是整体场景的构建、动画运行的流畅度、建筑模型的构建以及自由移动。

四、结果与建议

针对以上四点，基于为用户提供完美的体验感受的出发点，对虚拟现实系统的设计提出以下几点建议：

（一）首先，对场景布局的设计是对整体风景的定位工作[12]，要以现实环境为参考，要能够引起用户的共鸣。用户在进入虚拟场景后会不由自主地思考相关的问题：原来集装箱是这样堆放的;这些小车是怎么运送集装箱的？岸桥是怎么把船上的货物运到码头上的呢？这些场景能充分调动用户的好奇心，激发用户的创新思维和兴趣，让用户真正地沉浸到虚拟环境中。

（二）其次，保持稳定的60fps/120hz是避免虚拟现实内容眩晕的必要基准。空间定向法是在Vapor Riders（一款滑雪竞速游戏）的研发过程中发现的有效减少眩晕感的方法[13]：当用户以脚下的地面为参考时，将有效减轻VRS。建议在制作虚拟现实系统时采用空间定向法并且降低远处纹理的分辨率，在保证用户画面体验的同时有效降低眩晕感。

（三）另外，在构建建筑模型的时候应该把握住建筑的主要特点，可以适当放弃一些细节部分，给用户留下更直观的体验感受。以上文虚拟码头系统中的AGV小车为例，在构建过程中只保留了车轮、车身、集装箱承载台三个部分的主要特点，省去了轮胎花纹、车身花纹、车身镂空等细节。90%的用户反映简洁的画风让小车有了更强的辨识度，也能让他们更容易记住小车的结构特点。

（四）最后，用户在虚拟现实系统中的移动应当采用手柄控制与脚步控制相结合的方式。用户对结合式的移动方式的评价明显高于单一的移动方式，仅通过单一的方式很难达到用户体验的要求，而借由手柄移动选择一片活动范围，再通过脚步移动允许用户去到任何想去的地方，这样的体验方式很大程度上解放了用户的自由，充分满足了用户的好奇心，更为用户带来高质量的体验感受。

在研发或者优化虚拟现实系统功能的时候，应该以虚拟场景的构建为基础，以完善虚拟画面的运行为思想，保证虚拟场景建筑模型的质量，充分发挥自由移动等特点的作用，构建出能为用户带来完美体验的虚拟现实系统。

结论

本文通过实验手段获取虚拟现实（VR）系统的用户体验数据，采用主成分分析（PCA）分析影响自动化码头VR系统用户体验的主要因素包括整体场景的布局、画面流畅度、建筑模型以及自由移动。针对这四点提出了能增强用户体验的设计建议，对于其他类似VR系统的设计、开发也具有指导意义。

基金项目：上海市大学生创新创业训练计划项目（S201805003）。

参考文献

[1]熊宏.工业设计多目标评价决策支持系统研究[D].西北工业大学.2005.

[2]好设计评测介绍[J].设计.2013（4）：179.

[3]杨萍.基于虚拟现实技术的产品产品设计评价系统研究[D].东南大学.2008.

[4]范文洁.沉浸式虚拟现实下的产品设计评价研究[D].华侨大学.2016.

[5]乔漫洁，吕慧慧，伍盼盼.浅析注成分分析与因子分析[J].智慧健康.2018（36）：41-42.

[6]俞立平，刘骏.主成分分析与因子分析法适合科技评价吗？——以学术期刊评价为例[J].现代情报.2018（6）：73-79.

[7]高楠.数字媒体语境下的交互式虚拟视觉艺术创新[J].设计.2016.（5）：136-137.