基于物联网镜像的在线购物五觉体验模型构建*

2023-06-15高锡荣周坤露

重庆邮电大学学报（社会科学版） 2023年3期

高锡荣,周坤露,韩虎

(重庆邮电大学经济管理学院,重庆 400065)

互联网开启了虚拟世界之门,并反过来影响实体世界,在线购物就是互联网虚拟世界影响实体世界的真实写照之一。在线购物改变了消费模式,解决了实体店购物消费者空间受限问题,催生了电子商务这种全新的商业形态,而4G移动宽带技术则将电子商务推向了发展的高峰。

但是,基于4G的网络购物存在诸多局限,其中,消费者真实体验感缺失就是亟待解决的难题。4G网络只能近似传输商品的部分视、听属性,消费者无法直观感受商品的触觉、嗅觉和味觉属性,这种体验缺陷将严重妨碍消费者感知商品的各项属性,导致所购非所需的错配问题。如果体验失真,这一线上电商的“硬伤”得不到有效解决,就势必会影响甚至制约电子商务的发展。

随着5G技术的规模化应用,在线购物从互联网跃迁至物联网是大势所趋。物联网相较于互联网的最大优势是可以将物理实体分解为高维电子信息,上传至网络,并在网上建立实体的数字镜像。随着智能传感、数字孪生等技术的迭代升级,镜像与实体会变得高度相似,最后虚实难辨,宛如一对孪生体。利用物联网,可将商品的视、听、触、嗅、味等五觉属性传送至网络,在网上建立商品五觉属性镜像,再将五觉镜像提供给消费者进行远程体验。届时,将大幅提升消费者在线购物的真实感知效用,弥补传统网络购物的五觉体验缺陷。

一、相关文献回顾

(一)5G与物联网的相关研究

5G与物联网相辅相成,它有非常高的载频、巨大的带宽、极端的基站和设备密度,以及前所未有的天线数量,可提供普遍的高速率覆盖和无缝的用户体验[1]。5G蜂窝系统提供无处不在、高可靠、可扩展和经济高效的连接,是全球物联网的关键驱动因素[2]。Agiwal等认为,5G在设备的互操作性、应用和服务方面提供了一个范式转换,可满足物联网发展需求[3]。Leminen等认为,未来经济格局的塑造与物联网的发展关系密切,物联网赋能使得现实世界不断网络化和智能化,利用物联网可创造新的体验场景[4]。赵树梅等认为,5G、物联网等技术可以催生新经济业态和开发传统产业创新,并不断提升顾客体验[5]。郑亦麒指出,物联网在电子商务领域中具有十分广阔的应用前景,不仅能给电子商务带来新经济增长点,而且能彻底解决其中存在的一系列问题[6]。Harrison认为,物联网技术能为电子商务提供更细微可用的信息,这些信息在生成后不久就会被自动收集并随时可供共享[7]。

(二)在线体验的相关研究

目前,购物体验正不断从实体店的现场体验跃迁到电商平台的在线体验。然而,在线购物体验弊端凸显,消费者在网络购物时,不能像传统线下购物那样去触摸和体验商品,没有对商品的真实感觉,故而提升消费者在线购物体验迫在眉睫。贺和平等认为,在线零售商可以基于网络技术来提升消费者的购物体验,例如远距临场感[8]。黄永林等指出,5G、AI、云计算等技术的运用可让消费者拥有购物的沉浸式体验[9]。李光明等通过构建交互性和生动性对消费者在线购物体验影响的机理模型,指出网络零售的交互性和生动性均有助于提升消费者在线体验感[10]。钟科等从触觉的角度,论证了感官体验会影响消费者的态度[11]。赵宏霞等经过研究,认为在网购环境中,良好的商品展示可以增强消费者的临场感,从而产生一种虚拟的触觉感知[12]。彭凯平等认为,视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉会影响个体的身体体验[13]。

(三)五觉数字化的相关研究

物联网拓展了在线体验的维度,可实现视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等多维属性的远程感知。王正沛等指出,未来的电商将在新零售的基础上向更加智能、体验更加真实的方向演变[14]。Azuma等提出混合现实技术,可用于拓展体验维度[15]。李华君等提出,虚拟现实、增强现实和混合现实等沉浸技术打破了虚拟世界和现实世界的第一道屏障[16]。宋爱国等构建了基于云端的多模态力触觉信息感知平台框架,用户可通过多种力触觉交互设备,再现物体的物理属性[17]。王妍等认为,物联网使得触觉的交互不再是心灵的意向性建构和视触觉的仿像,而是实在的生命活动[18]。Yu等发明了“皮肤VR”触觉反馈系统,可将传统听觉和视觉的虚拟现实技术扩展至多触觉感知。其经过研究,发现嗅觉和电刺激味觉作为一种组合存在协同作用,多感官刺激混合在一起时,参与者的味觉感知效果明显提升[19]。Ranasinghe等将味觉、嗅觉和颜色模拟技术合并,开发了一个交互式系统,能够提供味觉、嗅觉和视觉刺激来增强味觉体验[20]。Kerruish认为,数字驱动的气味感知可以通过手机和气味传输的XML协议实现[21]。Cheok等提出了一种数字接口来刺激嗅觉的方法,通过用微弱的电脉冲刺激鼻甲的嗅觉感受器来实现嗅觉的数字化传导,使得通过互联网以数字方式体验嗅觉成为可能[22]。周星等认为,元宇宙可实现虚拟现实和现实世界的嫁接组合,带给人们近似真实的感官体验[23]。

综上所述,现有研究主要集中在使用物联网技术实现在线五觉感知的前沿性预测阶段,未见将商品五觉属性数字化应用于在线体验购物的探讨,缺乏对在线购物五觉体验的技术框架搭建和数理建模,而这正是本文想要探究的问题。

二、研究设计

(一)核心概念定义

1.五觉:人类感官中的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。

2.商品五觉属性:在人体对商品的感知过程中,商品带给人体视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉感受的自有属性,包括商品的颜色、音色、触感、气息和味道等。

3.物联网镜像:物理实体通过智能传感和数字孪生等技术,在物联网中映射形成数字孪生体;二者高度相似,宛如镜像关系。

4.五觉镜像体验:将商品五觉属性的镜像逆转为消费者可直观感知的过程。

(二)场景与对照

本文研究场景为物联网镜像体验购物,对照为实体店现场体验购物、互联网虚拟体验购物。三者的相关对比如表1所示。

表1 场景与对照

三、物联网镜像购物的五觉体验过程

(一)商品五觉镜像化

商品五觉镜像化,是指将商品五觉属性(即商品的视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉)信息映射到网络世界,形成商品实体在网上的五觉镜像投影。

商品五觉镜像化的具体实施,首先要运用智能传感装置采集商品五觉属性信息,然后再将商品五觉属性信息解析为电子数据上传到网络,最后在网上汇聚组装成为商品五觉镜像(1)这里的网络特指物联网。。上述过程可划分为智能化、数字化、网络化和孪生化四个阶段,详如图1所示。

图1 商品五觉镜像化的四个阶段示意图

智能化。指运用智能传感装置采集商品五觉属性信息。原则上,五觉属性需要五大类传感装置,即视觉类、听觉类、触觉类、嗅觉类和味觉类传感装置,且每大类传感装置又可根据商品个性特征细分为若干小类。理论上,为采集商品五觉属性信息,需安装大量的智能传感装置;若要使感知的真实度更高,则要安装更多更高级的智能传感装置。

数字化。指将商品五觉属性信息解析为电子数据。信息的解析即对信息的量化、编码过程,商品的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉属性信息,经过量化编码解析为以二进制比特流形式存在的五觉属性信息数据形态,其数字化过程及质量主要受制于芯片品级及计算技术。

网络化。指将商品五觉属性信息数据上传到网络。商品五觉属性是实体性质的,因此,上传五觉属性信息必须依托物联网。物联网需要5G及以上的通信技术作为支撑,且通信技术等级越高,商品五觉属性信息的网络化效果越好。

孪生化。指在网上构筑商品五觉镜像。孪生化是虚实融合技术的集成,是将物理实体转化为高度相似的虚拟镜像,让虚拟镜像几乎与物理实体无差别。商品五觉属性的孪生化,就是运用数字孪生技术将商品五觉属性信息汇聚投影到网络空间,形成与实物商品五觉属性高度近似的镜像体。

(二)商品五觉镜像体验

商品五觉镜像体验是指将网络空间中汇聚的商品五觉镜像还原传导至消费者的五感器官,让消费者远程体验商品的五觉属性。传统网络购物模式间接将商品的视听属性以图片和视频的模式传输至网络供消费者浏览,即从商品,到网络中的商品图片、视频,再到消费者透过屏幕间接感知到的仅含视听属性的商品。而商品五觉镜像体验则是从传统网络购物模式出发,结合商品五觉镜像化演绎出商品五觉镜像体验过程。从表现形式上看,商品五觉镜像体验过程正好是商品五觉镜像化过程的逆转,如果说商品五觉镜像化是由实化虚,那么商品五觉镜像体验就是由虚返实。图2对这两个过程进行了串联。

图2 商品五觉镜像体验的两个过程示意图

四、物联网镜像购物的五觉体验模型

(一)商品五觉镜像化模型

设实物商品的五觉属性矩阵X为

(1)

式(1)中:xij(i=1,…,m;j=1,…,5),表示商品i的第j觉属性,共有m种商品,每种商品皆有视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等五觉属性。为实现商品五觉属性的远程感知,需要将商品五觉属性转换成网络镜像。设商品镜像化转换矩阵F为

(2)

式(2)中:fij(i=1,…,m;j=1,…,5),表示商品i第j觉属性的镜像化转换因子。五觉镜像化过程中,由于各种干扰因素的存在,商品五觉属性的镜像化转换过程存在误差。随着传感装置的升级迭代,误差将不断缩小,却很难消除。设镜像化误差矩阵Ω(o)为

(3)

据式(1)、(2)、(3),可构建商品五觉镜像化模型,如式(4)

Xv=X⊙F=X+Ω(o)

(4)

式(4)中:Xv为商品五觉镜像矩阵,且有

(5)

(6)

(X+Ω(o))可展开为

X+Ω(o)=

(7)

式(4)表明,实物商品的五觉属性矩阵X经过镜像化转换F,得到商品五觉镜像Xv,且镜像Xv与实物X之间存在误差Ω(o)。

(二)商品五觉镜像体验模型

为实现消费者远程感知商品五觉信息的目的,需将商品五觉镜像还原为体验体。设镜像还原转换矩阵G为

(8)

式(8)中:gij(i=1,…,m;j=1,…,5),表示商品i第j觉镜像的还原转换因子。由于各种干扰因素的存在,商品五觉镜像的还原转换亦存在误差。设镜像还原误差矩阵Ω(in)为

(9)

据式(5)、(8)、(9),可构建商品五觉镜像体验模型如式(10)

Xs=Xv⊙G=Xv+Ω(in)

(10)

式(10)中:Xs为商品镜像还原矩阵,且有

(11)

(12)

Xv+Ω(in)=

(13)

式(10)表明,商品的五觉镜像矩阵Xv,经过还原转换G,得到商品五觉镜像还原属性Xs,且还原属性Xs与镜像Xv之间存在误差Ω(in)。

综合式(4)和式(10),商品五觉镜像体验的两个代数转换过程如图3所示。

图3 商品五觉镜像体验的两个代数转换过程示意图

五、物联网镜像购物的五觉体验效果

(一)五觉体验效果度量

不论是线下购物还是网络购物,消费者都要求商品能满足视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉的感知。现实空间中,商品的五觉属性可以被消费者直接捕捉,而网络世界中,用户接触的是数字化商品,数字化五觉信息会部分丢失。考察式(4)和式(10)所描述的物联网镜像购物五觉体验模型,消费者最后所感受到的商品五觉属性存在两轮误差,一是实体镜像化误差,二是镜像还原误差。鉴于上述误差,可定义消费者五觉体验真实度概念如式(14)

(14)

θj的取值范围为[0,1]。当θj=0时,商品第j觉属性对消费者完全无感,体验的五觉属性完全失真;当θj=1时,商品第j觉属性被消费者完全感知;但一般情况下,θj的取值介于0～1之间,表明商品第j觉属性被消费者部分感知。

基于五觉体验真实度θj,可定义消费者五觉体验效果测度S,如式(15)

(15)

式(15)中:μj(j=1,…,5),为消费者赋予商品第j觉属性的重要性权重。

(二)五觉体验效果分析

1.体验维度增加效应

在传统网络购物场景中,消费者能够远程体验的感官维度仅限于视觉和听觉两个,体验维度的减少导致了五觉体验的偏差,进而导致了传统网络购物的错配。但在物联网镜像购物场景下,商品的五觉属性都能够通过网络传导,消费者能够远程体验的感官维度可以从视觉和听觉两个扩展到视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉五个,从而实现对商品的五觉远程体验。

从商品体验的五觉维度数量上看,物联网镜像购物和实体店现场购物几乎是无区别的,二者都远高于传统网络购物的视听两觉体验维度,这就是物联网镜像购物的体验维度增加效应。

2.体验灰度降低效应

受限于网络技术的缺陷,消费者在传统网络购物中所体验到的商品视听属性,与商品实物的现场视听属性存在明显差异。也就是说,传统网络购物的视听体验真实度θj取值往往偏低,这种差异会导致消费者远程体验不够准确,即出现所谓体验灰度问题。物联网技术的应用,可显著提升商品五觉属性的网络传导效果,使得消费者远程体验到的商品五觉属性无限接近于真实状态。也就是说,物联网镜像购物的五觉体验真实度θj可以不断迫近1,从而大大降低体验灰度问题,这就是物联网镜像购物的体验灰度降低效应。

受惠于体验维度的增加和体验灰度的降低,物联网镜像购物的五觉体验效果值S远远大于传统网络购物,并可充分接近于实体购物体。物联网镜像购物、传统网络购物和实体店现场购物的五觉体验效果对比如图4所示。

图4 三种购物模式的五觉体验效果对比示意图

六、五觉体验的实作示例及技术实现:以触觉为例

(一)在线触觉体验的一般过程

商品触觉体验的具体过程分如下几步。首先,要运用智能传感装置采集商品触觉属性信息;其次,将商品触觉属性信息解析为电子数据上传到网络,并在网络空间汇聚成为商品触觉镜像;最后,还原传导至消费者佩戴的穿戴设备,让消费者远程体验到商品的触觉属性。消费者作为触觉信息的被动接收方,其佩戴的可穿戴设备可根据消费者偏好选择性地还原触觉维度信息,使得商品触觉由实化虚、由虚返实。商品触觉体验的具体流程如图5所示。

图5 物联网在线购物触觉体验流程示意图

(二)触觉体验的代数表达

1.商品触觉镜像化的代数表达

视觉上,一幅图片会有不同的颜色;同样,商品的触觉属性也不固定。例如,一件衣服的展示层和皮肤接触层,有图案的区域与平整的区域,会让消费者有不同的触感。即商品可以由不同的触觉参数区域块组成。设商品的触觉维度参数矩阵T为

(16)

式(16)中:tij(i=1,…,k;j=1,…,l),表示商品区域块i的j触觉维度数据,共有k块不同触觉属性区域,l个触觉维度。为实现商品触觉属性的远程感知,首先需要将商品触觉属性转换成网络镜像。设商品触觉镜像化转换矩阵N为

(17)

式(17)中:nij(i=1,…,k;j=1,…,l),表示商品区域i第j触觉维度属性的镜像化转换因子。触觉镜像化过程中,由于各种干扰因素的存在,商品触觉属性的镜像化转换是存在误差的。设触觉镜像化误差矩阵Ω(m)为

(18)

基于式(16)、(17)、(18),可构建商品触觉镜像化模型,如式(19)

Tv=T⊙N=T+Ω(m)

(19)

式(19)中:Tv为商品触觉镜像矩阵,且有

(20)

(21)

T+Ω(m)=

(22)

式(19)表明,实物商品的触觉属性T经过镜像化转换N,得到商品触觉镜像Tv,且镜像Tv与实物T之间存在误差Ω(m)。

2.触觉镜像体验代数表达

为实现消费者远程感知商品触觉信息,需要将商品触觉镜像还原为体验体。设触觉镜像还原转换矩阵R为

(23)

式(23)中:rij(i=1,…,k;j=1,…,l),表示商品区域i第j触觉维度镜像的还原转换因子。由于各种干扰因素的存在,商品触觉镜像的还原转换亦存在误差。设触觉镜像还原误差矩阵Ω(e)为

(24)

据式(20)、(23)、(24)可构建商品触觉镜像体验模型,如式(25)

Ts=Tv⊙R=Tv+Ω(e)

(25)

式(25)中:Ts为商品触觉镜像还原矩阵,且有

(26)

(27)

Tv+Ω(e)=

(28)

式(25)表明,商品的触觉镜像Tv,经过还原转换R,得到商品触觉镜像还原属性Ts,且还原属性Ts与镜像Tv之间存在误差Ω(e)。

(三)触觉体验的实现技术

要明白触觉体验的实现技术要求,就要明晰触觉的生理识别过程。人类的皮肤上分布着紧密排列的触觉感受器,它们既有明确的分工,又会相互协调。每一个触觉感受器都通过神经纤维与中枢神经系统相连,从而创造出丰富的触觉感受。

触觉生理识别过程。感受器获取人类与外界互动的信息并将之转化为电信号,经神经纤维传输至神经系统,最终经大脑皮层处理实现触觉感知,这个过程中核心组件分为感受器、转化器、传输通道、处理器四个模块。物联网在线购物触觉体验的对应实现技术如下。

1.柔性神经元阵列实现感知与转化

为高度还原人类触觉感知过程,一种柔性的类皮肤神经元阵列被引入。柔性是指所依托材料的类皮肤性,其形变的自由度高,以尽可能贴合消费者的皮肤表面。它能高效模拟人类触摸动作,从而准确采集物体触觉特征并反馈信号。柔性神经元阵列由多个神经元组件构成,组件中包含传感层和反馈层。传感层用于收集消费者行为数据并模拟消费者触摸动作,充当感受器;反馈层用于转化传感层反馈数据,充当转化器(见图6)。

图6 柔性神经元阵列示意图

通过柔性神经元阵列技术,可收集商品各触觉维度特征。针对触觉的不同维度,使用对应的传感器收集商品的触觉属性信息,在网络空间数字化表征该商品,形成网络镜像。传感器直接作用于商品实物,避免人为输入,还可以捕捉消费者行为,模拟消费者触摸动作。

2.触碰检测实现精准感知

通过柔性神经元阵列模具模仿消费者的触摸动作,模拟动态触摸过程,从而收集触摸过程中的触觉信号。模拟消费者触摸动作并作用于商品镜像需要触碰检测技术,它是触觉反馈的前提,如果未发生触碰,就不会有触觉反馈。触碰检测可以确定触碰发生时刻,以及消费者触摸动作的力度、角度、位置等信息。消费者触摸动作相对于商品镜像的切入位置确定了商品镜像不同的触觉属性区,消费者动作的参数刻画影响触觉反馈信号。触碰检测通过实时收集消费者触摸动作参数信息,确定商品镜像触觉属性区的具体位置,是精准采集触觉反馈信号的前提。

3.物联网实现信号传输

依托物联网完成商品触觉属性各维度信息的传输。首先,在网络空间构建商品触觉镜像;其次,将模拟的消费者触觉动作映射到网络空间,与商品触觉镜像形成交互;最后,生成触觉反馈信号,作为反馈层触觉模拟的信号源。不同触觉维度传感器收集的信息按照各维度的特有规则记录,用于区别各维度的数字化表征格式。

4.可穿戴设备实现触觉体验

通过执行装置——集传感与反馈为一体的柔性材料与可穿戴设备的集成体——完成触觉各维度异质信号到触觉的体验。由于柔性类皮肤材料的功能限制,不能全面模拟触觉的各维度表现形式,需配合可穿戴设备完成触觉的真实模拟。可穿戴设备通常安装在手或身体其他部位,直接在皮肤上模拟对应感觉,拥有诸如振动、侧向皮肤拉伸和正常皮肤变形等功能。利用材质与人类皮肤相似的摩擦力与表面形状可变的、机械属性和表面属性混合的可穿戴设备,以及集成高度细微反馈装置组合成的自动反馈系统,将商品各维度触觉信号转化为人类皮肤可感知的触觉,赋予消费者远程触觉体验能力。

(四)触觉体验实现框架

物联网在线触觉体验框架的商品触觉特征有采集、商品镜像生成、消费者触摸动作模拟和触觉模拟体验四个核心模块。商品触觉特征采集模块通过各类传感器采集商品对应维度的触觉特征;商品镜像生成是利用已有的触觉特征信息,在网络空间形成商品触觉镜像;消费者触摸动作模拟和触觉模拟体验则是通过柔性类皮肤材料以及可穿戴设备感知消费者触摸动作、反馈并处理触摸信号,从而实现对远程目标商品的触觉感知(见图7)。

构建可交互、在线购物场景中商品触觉属性可感知的触觉感知框架,参与主体可以触摸到所需商品,结合视、听媒体流,提供多感官交互功能。需要指出的是,高保真地再现触觉维度及精确测量是触觉体验感的重要影响因素,影响触觉感知效果的其他因素还包括硬件的可用性和表现力、网络延迟等。消除或者降低以上因素的干扰,有利于再现真实触觉体验。