岳鵬飛 陸后軍

摘要：針對(duì)頭戴式（HMD）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與量化分析。以自動(dòng)化集裝箱碼頭虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為例，分析影響用戶使用體驗(yàn)的可能因素，進(jìn)而設(shè)計(jì)了量化分析實(shí)驗(yàn)，采用主成分分析法（PCA）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的相關(guān)矩陣、各成分特征向量以及方差貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析。得出VR系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中影響用戶體驗(yàn)的主要因素包括整體場(chǎng)景的構(gòu)建、動(dòng)畫運(yùn)行的流暢度、建筑模型的構(gòu)建以及自由移動(dòng)。本文結(jié)論對(duì)提高虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程提供了科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論意義。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 設(shè)計(jì)因素 自動(dòng)化碼頭 主成分分析

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2020）02-0134-02

引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)是一種能夠創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能為用戶提供完全浸入式的體驗(yàn)。但是目前缺少客觀評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型，適用于工業(yè)產(chǎn)品的多目標(biāo)評(píng)價(jià)決策支持系統(tǒng)[1、2]并不能完全囊括虛擬現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn);基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)[3]局限于虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)的影響，鮮有提到對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的評(píng)價(jià);而沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[4]中雖然提到了數(shù)學(xué)分析評(píng)價(jià)法，但是并沒有提出具體的數(shù)學(xué)模型。本文采用主成分分析法[5、6]對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到客觀的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，能夠?yàn)樵u(píng)價(jià)、分析虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素提供科學(xué)的、客觀的理論依據(jù)。

一、主成分分析法

主成分分析法是將多個(gè)原始變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)能反映原始變量大部分信息新變量的降維方法。希望能用較少的變量解釋原資料中的大部分變量，將相關(guān)性很高的變量轉(zhuǎn)化成相互獨(dú)立或不相關(guān)的變量，流程如圖1。

舉例來說：假設(shè)原始數(shù)據(jù)矩陣為，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立協(xié)方差矩陣，將特征向量按特征值由大到小排列，取前k個(gè)按行組成矩陣，通過計(jì)算得到降維后數(shù)據(jù)。若m個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率在85%以上，說明這m個(gè)主成分能反映原數(shù)據(jù)85%以上的信息。

二、用戶體驗(yàn)影響因素分析

ISO 9241-210標(biāo)準(zhǔn)將用戶體驗(yàn)定義為“人們對(duì)于針對(duì)使用或期望使用的產(chǎn)品、系統(tǒng)或者服務(wù)的認(rèn)知印象和回應(yīng)”。通俗來講就是“這個(gè)東西好不好用，用起來方不方便”。

（一）整體場(chǎng)景的布局。整體布局是指除了人物角色造型之外的一切事物的造型設(shè)計(jì)，就是有空間層次感的場(chǎng)面構(gòu)圖。場(chǎng)景的設(shè)計(jì)是為了交代故事發(fā)生的時(shí)間，地點(diǎn)，以及位置環(huán)境。調(diào)查用戶對(duì)虛擬場(chǎng)景的看法能夠看出整體場(chǎng)景設(shè)計(jì)中的長(zhǎng)處和不足之處，能夠?yàn)閳?chǎng)景的進(jìn)一步改善提供依據(jù)。

（二）動(dòng)畫運(yùn)行流暢度。流暢度包括視覺流暢與聽覺流暢。流暢并不是僅僅指動(dòng)畫的幀頻率高和畫面的精細(xì)[7]，更重要的是要符合人類的審美觀點(diǎn)和客觀法則。準(zhǔn)確來說，對(duì)流暢度的調(diào)整，更重要的是找到最適合人們觀賞的表達(dá)節(jié)奏。

（三）建筑模型的觀賞度。不同于以往的二維模型，虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的三維模型能讓用戶更加直觀、具體地觀摩每個(gè)建筑物的外型、內(nèi)部構(gòu)造。但三維模型并不是簡(jiǎn)單地構(gòu)建起一個(gè)立體模型，需要依據(jù)周圍的人文、地理環(huán)境等進(jìn)行三維景觀模型構(gòu)建[8。收集用戶對(duì)三維模型的看法能對(duì)日后構(gòu)建完美融入場(chǎng)景的模型總結(jié)寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（四）自由移動(dòng)。用戶在使用虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品時(shí)的自由移動(dòng)可以看作對(duì)用戶自由度的解放[9]。不同于以往動(dòng)畫的固定流程，用戶在虛擬場(chǎng)景中可以自由移動(dòng)、選擇觀摩的建筑和作業(yè)的流程，用戶在其中擁有極大的自主操作權(quán)。作為虛擬現(xiàn)實(shí)最有代表性的特點(diǎn)之一，用戶對(duì)之的看法顯得尤為重要。

（五）場(chǎng)地舒適度。體驗(yàn)場(chǎng)地的舒適度也即場(chǎng)地的大小主要受限于兩個(gè)因素：適合用戶的移動(dòng)范圍和信號(hào)接收器的有效范圍。但受限于當(dāng)前的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展程度，VR頭顯還無法做到無線連接，并且用來定位頭顯位置的信號(hào)接收器的有效工作范圍也有著局限，這一系列的原因都導(dǎo)致目前的移動(dòng)場(chǎng)地?zé)o法過大。

三、案例分析

（一）實(shí)驗(yàn)背景。實(shí)驗(yàn)采用的是以上海洋山港四期為背景構(gòu)建的一套自動(dòng)化集裝箱碼頭虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，如圖2。場(chǎng)景中包括自動(dòng)化碼頭該有的一切設(shè)施：貨輪、集裝箱、橋吊、軌道吊、堆場(chǎng)、AGV、集卡等。該系統(tǒng)能模擬自動(dòng)化碼頭完整的運(yùn)作流程，包括：進(jìn)口卸船、出口裝船、進(jìn)口提箱、出口收箱、堆場(chǎng)翻箱。體驗(yàn)者可以近距離地觀看到自動(dòng)化碼頭的所有運(yùn)作流程以及器械的運(yùn)動(dòng)，可以通過手柄和步行自由移動(dòng)，自由選擇觀看場(chǎng)景和視角，貫穿全程的語音講解能為體驗(yàn)者解答專業(yè)性的問題。

（二）實(shí)驗(yàn)過程。隨機(jī)邀請(qǐng)上海海事大學(xué)的50名在校生進(jìn)行頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的體驗(yàn)。以5人一組為單位，分10次完成所有人員的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)。每位同學(xué)在體驗(yàn)結(jié)束后都須填寫一份有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)體驗(yàn)感受的調(diào)查問卷，借助問卷星軟件對(duì)問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行回收，以待下一步的處理。

（三）數(shù)據(jù)處理。采用主成分分析法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分提取后得到各功能間相關(guān)矩陣，如表1。由表1能清楚地看出各成分之間都存在著相關(guān)性，適合進(jìn)行主成分分析。分析得到各成分特征值與累計(jì)貢獻(xiàn)率與各主成分特征向量。由數(shù)據(jù)知，前四個(gè)成分特征值與方差貢獻(xiàn)率分別為3.706，46.321%;1.382，17.279%;1.101，13.761%;1.036，12.949%。前四個(gè)成分的累積方差貢獻(xiàn)率為90.311%，也就是能反映樣本90.311%的信息，故選取前四個(gè)成分為主成分。

由主成分特征向量可知各主成分F1、F2、F3、F4的表達(dá)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

根據(jù)不同主成分特征值的方差貢獻(xiàn)率得出，綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F的表達(dá)式：F=0.46321F1+0.17279F2+0.13761F3+0.12949F4

根據(jù)構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到權(quán)值函數(shù)值排名前十的問卷。結(jié)合方差貢獻(xiàn)率和前十份問卷數(shù)據(jù)以及眾多的理論支持[10、11]，得出頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)影響用戶體驗(yàn)的最主要的四點(diǎn)因素是整體場(chǎng)景的構(gòu)建、動(dòng)畫運(yùn)行的流暢度、建筑模型的構(gòu)建以及自由移動(dòng)。

四、結(jié)果與建議

針對(duì)以上四點(diǎn)，基于為用戶提供完美的體驗(yàn)感受的出發(fā)點(diǎn)，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議：

（一）首先，對(duì)場(chǎng)景布局的設(shè)計(jì)是對(duì)整體風(fēng)景的定位工作[12]，要以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為參考，要能夠引起用戶的共鳴。用戶在進(jìn)入虛擬場(chǎng)景后會(huì)不由自主地思考相關(guān)的問題：原來集裝箱是這樣堆放的;這些小車是怎么運(yùn)送集裝箱的？岸橋是怎么把船上的貨物運(yùn)到碼頭上的呢？這些場(chǎng)景能充分調(diào)動(dòng)用戶的好奇心，激發(fā)用戶的創(chuàng)新思維和興趣，讓用戶真正地沉浸到虛擬環(huán)境中。

（二）其次，保持穩(wěn)定的60fps/120hz是避免虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容眩暈的必要基準(zhǔn)。空間定向法是在Vapor Riders（一款滑雪競(jìng)速游戲）的研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的有效減少眩暈感的方法[13]：當(dāng)用戶以腳下的地面為參考時(shí)，將有效減輕VRS。建議在制作虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)時(shí)采用空間定向法并且降低遠(yuǎn)處紋理的分辨率，在保證用戶畫面體驗(yàn)的同時(shí)有效降低眩暈感。

（三）另外，在構(gòu)建建筑模型的時(shí)候應(yīng)該把握住建筑的主要特點(diǎn)，可以適當(dāng)放棄一些細(xì)節(jié)部分，給用戶留下更直觀的體驗(yàn)感受。以上文虛擬碼頭系統(tǒng)中的AGV小車為例，在構(gòu)建過程中只保留了車輪、車身、集裝箱承載臺(tái)三個(gè)部分的主要特點(diǎn)，省去了輪胎花紋、車身花紋、車身鏤空等細(xì)節(jié)。90%的用戶反映簡(jiǎn)潔的畫風(fēng)讓小車有了更強(qiáng)的辨識(shí)度，也能讓他們更容易記住小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

（四）最后，用戶在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的移動(dòng)應(yīng)當(dāng)采用手柄控制與腳步控制相結(jié)合的方式。用戶對(duì)結(jié)合式的移動(dòng)方式的評(píng)價(jià)明顯高于單一的移動(dòng)方式，僅通過單一的方式很難達(dá)到用戶體驗(yàn)的要求，而借由手柄移動(dòng)選擇一片活動(dòng)范圍，再通過腳步移動(dòng)允許用戶去到任何想去的地方，這樣的體驗(yàn)方式很大程度上解放了用戶的自由，充分滿足了用戶的好奇心，更為用戶帶來高質(zhì)量的體驗(yàn)感受。

在研發(fā)或者優(yōu)化虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)功能的時(shí)候，應(yīng)該以虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建為基礎(chǔ)，以完善虛擬畫面的運(yùn)行為思想，保證虛擬場(chǎng)景建筑模型的質(zhì)量，充分發(fā)揮自由移動(dòng)等特點(diǎn)的作用，構(gòu)建出能為用戶帶來完美體驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)手段獲取虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用主成分分析（PCA）分析影響自動(dòng)化碼頭VR系統(tǒng)用戶體驗(yàn)的主要因素包括整體場(chǎng)景的布局、畫面流暢度、建筑模型以及自由移動(dòng)。針對(duì)這四點(diǎn)提出了能增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)建議，對(duì)于其他類似VR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)也具有指導(dǎo)意義。

基金項(xiàng)目：上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201805003）。

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