劉秋雨 李剛

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）09-0026-02

1 具身認知理論概述

具身認知是當(dāng)代心理學(xué)和認知科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，其基本內(nèi)涵是強調(diào)認知對身體的依賴性，即通過身體的感覺和體驗來構(gòu)建認知過程。具身認知的主要思想可歸納為三點：一是身體的生理結(jié)構(gòu)、身體的運動等特征影響認知的產(chǎn)生和發(fā)展;二是身體所處的環(huán)境、情境影響認知的產(chǎn)生和發(fā)展;三是大腦與身體的特殊感覺—運動通道神經(jīng)系統(tǒng)影響認知的產(chǎn)生和發(fā)展。

2 沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者Faust 在1995 年就探討了將三維地理信息系統(tǒng)擴展到虛擬現(xiàn)實層面的可能性。2004 年中國學(xué)者孫敏等人提出AR 可以做為地理信息系統(tǒng)可視化的新界面。伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的電子可視化實驗室（EVL）在1992 年構(gòu)建的CAVE（CaveAutomatic Virtual Environment）系統(tǒng)是世界上第一個基于投影的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，后續(xù)研究也一直致力于將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于可視化和可視分析的研究。目前，關(guān)于沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化的研究來自于計算機科學(xué)、地理信息科學(xué)領(lǐng)域，鮮有學(xué)者從設(shè)計學(xué)、數(shù)字媒體的角度對沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化的呈現(xiàn)形式進行設(shè)計分析。

3 基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計意義

3.1 感知覺的多維調(diào)用

通過基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計可以擁有更加豐富的信息通道，可以與用戶之間建立語音、觸覺、甚至嗅覺等多維度感官交互通道，并將刺激信息傳遞到后續(xù)信息加工單元參與高級認知活動，幫助對信息的識別和分析。

3.2 行為交互的全方位拓展

基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計可以借助動作捕捉設(shè)備，實現(xiàn)全方位的動作捕捉，肢體的每一個動作都可以作為信號，與環(huán)境產(chǎn)生互動并獲得反饋，較好地拓展了身體作為認知媒介的可能性。

3.3 可視分析的情境化

基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計可以使用戶將新獲取的信息與現(xiàn)有的知識在工作記憶中整合，以預(yù)測未來信息狀態(tài)及后續(xù)決策。將通過設(shè)備收集的數(shù)據(jù)重構(gòu)為虛擬環(huán)境，將多種數(shù)據(jù)格式集成到虛擬環(huán)境中，最大化滿足數(shù)據(jù)的多維度呈現(xiàn)，為用戶提供數(shù)據(jù)分析的情境條件。

4 案例分析

文章選取了三個較為成熟的基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計案例，分別是：（1） 鄱陽湖虛擬地理環(huán)境系統(tǒng);（2） 地下公共設(shè)施AR 地理可視化;（3） 地質(zhì)考察移動增強現(xiàn)實輔助系統(tǒng)。常用的沉浸式可視化技術(shù)包括VR 與AR，VR 系統(tǒng)可以對難以實地勘查的地區(qū)構(gòu)建虛擬數(shù)字模型，用于開展不受時空限制的地理數(shù)據(jù)分析任務(wù)。AR系統(tǒng)基于移動設(shè)備，可輔助用戶在實景勘查工作中對難以觀察、記錄的數(shù)據(jù)進行具象呈現(xiàn)。所選案例均已投入實際應(yīng)用或經(jīng)過用戶應(yīng)用測試，作為分析對象具有一定的實踐指導(dǎo)意義，如表1。

4.1 多維信息的呈現(xiàn)與感知

三個設(shè)計案例均擁有足夠的顯示空間來支持用戶同時查看多個相關(guān)數(shù)據(jù)集，并且支持二維、三維等多種類型的信息同時顯示。用戶可以在統(tǒng)一的語境中查看數(shù)據(jù)信息，建立數(shù)據(jù)信息之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多通道信息在決策層上的語義融合?；诰呱碚J知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計為用戶帶來的空間視覺感知是立體的、多層次的，同時也為原始數(shù)據(jù)提供了更多的視覺映射方式。在地下公共設(shè)施AR 地理可視化系統(tǒng)（LARA）中，不僅支持地下設(shè)施的增強現(xiàn)實顯示，同時配備顯示以用戶為中心的周邊二維地圖（圖1）;在鄱陽湖虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)中，設(shè)計者構(gòu)建了三維與二維兩種降雨數(shù)據(jù)的可視化形式，在三維環(huán)境中用戶可改變視角使自己置身于“雨水”中，讓觀察更具趣味性和臨場感。同時，設(shè)計者也提供了降雨量的時序數(shù)據(jù)圖表，以二維窗口的形式顯示，滿足用戶進一步查詢詳細數(shù)值的需求（圖2）。

4.2 交互行為自然化

傳統(tǒng)數(shù)字界面中的人機交互操作大多是在用戶的關(guān)注下進行的，容易產(chǎn)生額外的操作負荷，基于具身認知的交互體驗以用戶的自然行為為基礎(chǔ)，挖掘行為動作中的需求語義并給予反饋，技術(shù)工具消失在人機自然交互過程中，在鄱陽湖VR 系統(tǒng)中主要使用頭部追蹤和身體追蹤的方式將用戶定位在環(huán)境中，根據(jù)用戶的實際視角計算，使圖像的呈現(xiàn)始終保持正確的視角并能根據(jù)觀察者的運動進行調(diào)整。而在移動AR 地質(zhì)考察輔助系統(tǒng)（ARGeo）中，根據(jù)用戶當(dāng)前相機視野生成虛擬地形，并疊加到現(xiàn)實場景中，內(nèi)置的傳感器使系統(tǒng)實時響應(yīng)設(shè)備方向變化，并同步映射到虛擬地形上，保證了用戶在虛擬場景和現(xiàn)實場景中的一致性體驗（圖3）。

4.3 沉浸式數(shù)據(jù)分析情境

在基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計中，情境不是對真實空間場景的還原，而是構(gòu)建可幫助用戶、研究人員完成分析任務(wù)的可視分析情境。VR、AR系統(tǒng)提供了用戶認知的系統(tǒng)環(huán)境，其對現(xiàn)實空間的模擬與呈現(xiàn)，有利于用戶掌握當(dāng)前任務(wù)態(tài)勢?；诰呱碚J知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計有足夠的空間和分辨率來顯示多種表示形式，并且可以對用戶身體動態(tài)進行實時追蹤，保證用戶能夠自由、便捷、不受打擾地查看數(shù)據(jù)信息，從而獲得良好的沉浸式情境體驗。在鄱陽湖虛擬地理環(huán)境中實現(xiàn)了對162，000km²鄱陽湖流域的數(shù)字化重建，用戶臨界于場景之上，可根據(jù)需求自由選擇觀看視角。

5 基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計策略

基于前文理論與案例分析，研究以提升用戶體驗為目的，提出基于具身認知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計策略：

5.1 數(shù)據(jù)信息的多維感官感知

傳統(tǒng)信息可視化中通過圖形符號的顏色、形狀、空間位置等來表示數(shù)據(jù)的方式同樣適用于沉浸式空間中。沉浸式分析環(huán)境可以通過追蹤觀察者視線，改變數(shù)據(jù)信息呈現(xiàn)的位置或方式使其更適應(yīng)使用者的觀察方式。同時，通過增加觸覺、聽覺、嗅覺系統(tǒng)的交互方式增強環(huán)境真實性與臨場感，輔助用戶理解空間環(huán)境信息。

5.2 分析環(huán)境的沉浸式感官感知

區(qū)別于傳統(tǒng)二維數(shù)字界面，用戶在沉浸式可視化中是對虛擬現(xiàn)實與真實環(huán)境的融合感知，因此可以通過虛擬現(xiàn)實與真實環(huán)境的一致性設(shè)計達到沉浸體驗。例如，沉浸式界面中的UI 設(shè)計在色彩、風(fēng)格等視覺層面上應(yīng)與真實環(huán)境、實際場景相和諧，避免不和諧的視覺信息打破用戶的沉浸感。

5.3 交互行為的自然化

具身認知以身體行為、感知與反饋為基礎(chǔ)，因此，在交互設(shè)計上應(yīng)以身體的自然反應(yīng)、無意識反應(yīng)、習(xí)慣性反應(yīng)為考量，讓行為引導(dǎo)認知，身體與環(huán)境交互的過程也可以成為信息傳達的過程[8]。如通過動作識別、表情識別、肢體語言識別、語音、腦電等來預(yù)估和判斷使用者的行為意圖，營造自然的具身交互環(huán)境。

5.4 用戶感知情境化

用戶對情境的感知是對當(dāng)前身體所接收的所有信息綜合處理的結(jié)果，在沉浸式數(shù)據(jù)可視化設(shè)計中，應(yīng)使技術(shù)工具消失在互動中，最大程度地將空間數(shù)據(jù)還原為空間場景，對地理空間信息進行高保真呈現(xiàn)，讓使用者更自然地沉浸在數(shù)據(jù)的語義環(huán)境中，聚焦于情境體驗，從而進行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析活動。

6 結(jié)語

具身認知理論為“以用戶為中心”的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化提供了設(shè)計理論依據(jù)，作為信息的接受者，用戶的感受和體驗一定程度上決定了整個可視化的信息傳達效率，文章提出的設(shè)計策略之間能夠相互影響、相互推動，共同構(gòu)成用戶在沉浸式分析活動中的綜合體驗，對未來以用戶為中心的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計具有一定的借鑒意義。