朱永寧，葛 婷，杜盛瑀，樓澤如，王建民

虛擬現(xiàn)實(shí)全景流體繪畫系統(tǒng)的可用性研究

朱永寧1，葛 婷1，杜盛瑀2，樓澤如1，王建民1

(1. 同濟(jì)大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，上海 201804；2. 騰訊科技天美T2工作室，上海 200233)

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境給三維空間場(chǎng)景應(yīng)用帶來更強(qiáng)的真實(shí)感和身臨其境的體驗(yàn)。在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中經(jīng)常需要使用360°全景圖像生成沉浸式環(huán)境背景，其中全景流體動(dòng)力學(xué)繪畫系統(tǒng)提供了一個(gè)新的全景圖繪制方法。在調(diào)研虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在流體繪畫領(lǐng)域應(yīng)用的適用性測(cè)試中，本文綜合運(yùn)用用戶測(cè)試法、操作日志分析法、事后問卷調(diào)查法和訪談法，對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)進(jìn)行可用性評(píng)估，并創(chuàng)意性地使用可視化方法輔助日志分析。所有的受試者均認(rèn)為系統(tǒng)的可用性不低于一般水平，利用該系統(tǒng)完成流體繪畫的創(chuàng)作工作不需要受試者具有專業(yè)繪畫經(jīng)驗(yàn)。受試者對(duì)系統(tǒng)的功能效果持積極肯定的意見，并期待嘗試用其他交互形式代替手柄類交互方式以促進(jìn)藝術(shù)創(chuàng)作的表達(dá)。其研究方法和結(jié)果將為同類系統(tǒng)的開發(fā)和評(píng)估提供參考。

可用性；有效性；用戶體驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)；流體藝術(shù)

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)技術(shù)在醫(yī)療、城市仿真、教育和娛樂等廣泛領(lǐng)域，展現(xiàn)出強(qiáng)大的傳播推動(dòng)力[1]。隨著以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念(user centered design，UCD)逐漸深入人心，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可用性評(píng)估變得日益重要。不同于移動(dòng)或桌面應(yīng)用，虛擬環(huán)境中的交互系統(tǒng)的可用性，尤指控制的精確性和交互的自然性；其會(huì)影響用戶對(duì)系統(tǒng)的使用[2]。因此可用性評(píng)估被越來越多地被引入到VR系統(tǒng)開發(fā)中。目前，針對(duì)藝術(shù)創(chuàng)作系統(tǒng)可用性評(píng)估的研究較為缺乏。考慮到VR領(lǐng)域獨(dú)有的特點(diǎn)，其在評(píng)估上與傳統(tǒng)以桌面為平臺(tái)的系統(tǒng)有所不同[3]。盡管已有不少學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題做了研究，多數(shù)模型和標(biāo)準(zhǔn)仍無法支持所有影響可用性的因素[4-6]。

全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)是一個(gè)代表性的基于VR環(huán)境的藝術(shù)創(chuàng)意系統(tǒng)。本文基于該系統(tǒng)進(jìn)行可用性分析。該系統(tǒng)的畫面同時(shí)受到動(dòng)力學(xué)模擬和用戶操作的影響，與其他藝術(shù)創(chuàng)作系統(tǒng)有明顯的差異，評(píng)估的復(fù)雜度和難度也更大。尤其是研究人員無法了解用戶在虛擬環(huán)境中的使用過程，這成為調(diào)研VR系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。本文以該系統(tǒng)為平臺(tái)，創(chuàng)新性地將操作日志法應(yīng)用于VR系統(tǒng)的評(píng)估中，特別是應(yīng)用可視化方法輔助日志分析，為研究人員了解用戶的操作行為提供了直觀的線索和證據(jù)，同時(shí)輔之以其他通用的定性和定量研究方法，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前可用性狀況進(jìn)行評(píng)估，查找系統(tǒng)中存在的可用性問題，為同類系統(tǒng)的開發(fā)和評(píng)估提供參考。

1 相關(guān)工作

客觀評(píng)價(jià)能夠直接反映用戶對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)可程度。KEEFE等[7]從交互行為的角度出發(fā)，基于用戶的主觀評(píng)價(jià)對(duì)CavePainting系統(tǒng)進(jìn)行了初步的形成性評(píng)估。M?KEL?等[8]是基于用戶純主觀反饋評(píng)估調(diào)查了三維繪畫工具在技術(shù)上的局限性和創(chuàng)作上的潛力。EROGLU等[9]在對(duì)流體草圖系統(tǒng)的評(píng)估中，主要針對(duì)用戶的主觀評(píng)價(jià)進(jìn)行了討論。

通過客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)來度量系統(tǒng)的可用性是另一種重要的方法。KEEFE等[10]提出了一項(xiàng)基于觸覺輔助的三維建模輸入技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了初步的評(píng)估探索。出錯(cuò)數(shù)和任務(wù)完成時(shí)間是衡量任務(wù)績效的2大指標(biāo)。ISRAEL等[11]通過對(duì)比用戶在二維和三維條件下的任務(wù)表現(xiàn)，對(duì)沉浸式三維草圖系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證，主要依據(jù)為任務(wù)完成時(shí)間和專家對(duì)任務(wù)表現(xiàn)的評(píng)分。除了主觀評(píng)價(jià)和任務(wù)時(shí)間、任務(wù)水平滿意度、測(cè)試水平滿意度、出錯(cuò)數(shù)、完成數(shù)[12]等績效指標(biāo)外，主觀的腦力負(fù)荷等心理學(xué)方面的測(cè)量因素也開始用于績效評(píng)估[13]。

上述通用的定量和定性方法均不能反映用戶在虛擬環(huán)境中的使用過程和操作細(xì)節(jié)，缺失了VR系統(tǒng)可用性評(píng)估的重要證據(jù)。繪畫作品創(chuàng)作過程尤其重要，這也是度量系統(tǒng)可用性的一個(gè)途徑[7]。在網(wǎng)頁和移動(dòng)端的交互設(shè)計(jì)中，有研究提出了應(yīng)用操作日志分析法來分析用戶交互行為和評(píng)估系統(tǒng)可用性的思路。GRAY等[14]指出操作日志法，可輔助研究人員發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站在可用性方面存在的問題。WEI等[15]通過對(duì)用戶在eBay電商網(wǎng)站點(diǎn)擊流的分析，研究用戶的交互行為，以此指導(dǎo)和驗(yàn)證網(wǎng)站的功能設(shè)計(jì)。然而，在VR領(lǐng)域，這方面的研究較少。JACKSON和KEEFE[16]將操作日志應(yīng)用于沉浸式三維建模系統(tǒng)Lift-off的可用性評(píng)估中，為研究人員了解用戶的動(dòng)作和行為提供了線索。

綜上所述，主觀評(píng)價(jià)是獲取用戶對(duì)系統(tǒng)態(tài)度的最直觀的方式，本文將通過觀察法、大聲思維法和訪談法了解用戶對(duì)研究系統(tǒng)的感受。然而，由于該系統(tǒng)工作流程靈活且創(chuàng)作自主性高，用出錯(cuò)數(shù)、完成度等的績效指標(biāo)來評(píng)定欠缺充分性，并采用問卷調(diào)查法補(bǔ)充衡量系統(tǒng)的可用性。另外，本文的研究參考了文獻(xiàn)[16]操作日志分析法，并創(chuàng)新性地應(yīng)用可視化方法輔助日志分析。本文綜合上述方法針對(duì)流體繪畫領(lǐng)域進(jìn)行探討，為同類系統(tǒng)的評(píng)估提供思路。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)

基于VR的全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)(panoramic fluid painting，PFP)是一個(gè)數(shù)字媒體藝術(shù)創(chuàng)意工具。二維平面中的水墨動(dòng)力學(xué)模擬被廣泛應(yīng)用于模擬水墨和水彩繪畫效果[17-19]，但缺少沉浸感，不適合VR應(yīng)用的需求。文獻(xiàn)[9]開發(fā)的流體素描系統(tǒng)可以在CAVE環(huán)境中交互生成模擬流體運(yùn)動(dòng)的粒子，但缺乏沉浸感。DU等[20]提出一種沉浸式虛擬環(huán)境中的基于水墨動(dòng)力學(xué)模擬的交互式繪制方法，其為全景繪畫藝術(shù)家提供了更加直接的解決方案——支持用戶在VR的全景球面上通過虛擬筆刷對(duì)球面圖像進(jìn)行繪制，并基于水墨動(dòng)力學(xué)方法實(shí)時(shí)模擬液體顏料和基底的演化。Tilt Brush(https://www.tiltbrush.com)和Quill(https://quill.fb.com/)同為沉浸式環(huán)境中進(jìn)行繪畫創(chuàng)意的代表性應(yīng)用，其為基于空間的筆畫路徑及圖形生成畫面，而本文研究的系統(tǒng)則是直接處理像素圖像，并對(duì)其進(jìn)行物理模擬，因此在繪畫創(chuàng)意中適用場(chǎng)景和畫面特點(diǎn)有所不同。

2.1 系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)基于Unity3D引擎開發(fā)，使用Oculus Rift CV1作為頭戴式顯示設(shè)備，創(chuàng)建交互沉浸感。當(dāng)用戶帶上頭戴式顯示后，即進(jìn)入一個(gè)虛擬場(chǎng)景空間(圖1)。該場(chǎng)景包括一個(gè)全景球面、用戶界面和虛擬畫筆。用戶界面用于設(shè)定畫筆屬性，材質(zhì)和物理性質(zhì)等，用戶通過操作筆刷在虛擬球面上進(jìn)行顏料繪制。顏料繪制在球面上以流體動(dòng)力學(xué)模擬生成水墨運(yùn)動(dòng)的質(zhì)感。

圖1 全景空間作品與參照作品((a)全景空間作品《數(shù)株連碧》；(b)測(cè)試用真實(shí)流體繪畫參考作品)

2.2 用戶界面

用戶界面的設(shè)計(jì)由3部分構(gòu)成(圖2)：色彩區(qū)、筆刷參數(shù)區(qū)和測(cè)試畫布。通過用戶界面，用戶可以方便地選擇、調(diào)整和設(shè)置筆刷并進(jìn)行保存、更新等管理。通過選取調(diào)節(jié)參數(shù)，藝術(shù)家可以設(shè)計(jì)并管理顏色、筆刷貼圖、筆刷物理性質(zhì)等屬性。預(yù)設(shè)工具是本系統(tǒng)的一大特色。由文獻(xiàn)[9]和本系統(tǒng)早期的用戶測(cè)試均表明，大量的參數(shù)給初次使用系統(tǒng)的用戶帶來困難。這里提供一些預(yù)制參數(shù)組可以幫助用戶理解參數(shù)并快速開始作畫。經(jīng)過藝術(shù)家調(diào)制的預(yù)制筆刷在接下來的繪制流程中方便反復(fù)選取和修改，從而使得藝術(shù)家可以不間斷地完成從效果設(shè)計(jì)開發(fā)到創(chuàng)作的整個(gè)流程。預(yù)設(shè)筆刷中除了普通靜態(tài)筆刷，還帶有動(dòng)力學(xué)效果如吸管、吹風(fēng)機(jī)、刮刀等工具的特效筆刷。類似地，藝術(shù)家可以方便地設(shè)計(jì)并管理預(yù)設(shè)顏色和預(yù)設(shè)紋理。

1.物理參數(shù)；2.預(yù)設(shè)筆刷；3.預(yù)設(shè)顏色；4.測(cè)試/紋理畫布；5.顏色選擇器；6.透明度；7.預(yù)設(shè)紋理；8.清空測(cè)試/紋理畫布

2.3 交互方式

虛擬畫筆由Oculus Touch 6自由度手柄映射實(shí)現(xiàn)。用戶完成一幅作品的流程包括：從顏色選擇器取色、預(yù)制顏色的設(shè)計(jì)與管理、筆刷物理參數(shù)調(diào)節(jié)(表1)、預(yù)制筆刷的設(shè)計(jì)測(cè)試與管理、筆刷紋理設(shè)計(jì)繪制與管理、在測(cè)試區(qū)域上的筆刷測(cè)試和全景球面上的實(shí)際繪制等步驟。

表1 參數(shù)詳情

3 可用性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文綜合考慮流體繪畫的復(fù)雜性、可重復(fù)性和效果，并選擇2個(gè)繪畫任務(wù)，招募了16位受試者進(jìn)行可用性實(shí)驗(yàn)。且對(duì)其行為進(jìn)行了記錄，在實(shí)驗(yàn)前、后進(jìn)行調(diào)查和深度訪談。

3.1 受試者

16位具有藝術(shù)背景的受試者作為系統(tǒng)的主要受眾和目標(biāo)群體。其精通繪畫以及圖像處理的軟件，但事先未接觸過待測(cè)設(shè)備或類似系統(tǒng)。杰柯柏·尼爾森提出了一個(gè)學(xué)說，“5人參加的用戶測(cè)試，即可發(fā)現(xiàn)大多數(shù)(約85%)的產(chǎn)品可用性問題”[21]。

3.2 測(cè)試方法

本文聚焦于沉浸式環(huán)境中的全景式流體繪畫的有效性，以最基本的繪畫工具選用與否、以及使用所選的工具能否實(shí)現(xiàn)流體藝術(shù)的效果作為有效性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。使用系統(tǒng)可用性量表(system usability scale，SUS)[22]收集用戶對(duì)系統(tǒng)的客觀評(píng)價(jià)。SUS因具有Alpha=0.91[23]很高的信度，即便在樣本量有限的情況下，也可以快速達(dá)到測(cè)試效果[24]，所以被廣泛用于測(cè)試產(chǎn)品/系統(tǒng)(原型)的可用性。SUS包含了10個(gè)題目，奇數(shù)項(xiàng)是正面陳述，偶數(shù)項(xiàng)是反面陳述。每項(xiàng)使用5點(diǎn)量表(1=強(qiáng)烈反對(duì)，5=非常同意)進(jìn)行測(cè)量。得到的原始數(shù)據(jù)需將其轉(zhuǎn)化為百分制的分?jǐn)?shù)。總分大于70表明系統(tǒng)/產(chǎn)品(原型)的可用性處在可接受的水平，而總分低于50則表明系統(tǒng)不可接受。

繼而通過2個(gè)開放式問題的訪談了解用戶對(duì)系統(tǒng)的主觀體驗(yàn)：①請(qǐng)您談一談使用感想；②如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，您認(rèn)為最應(yīng)該改善的是哪個(gè)部分？

3.3 測(cè)試任務(wù)

受試者參照花和羽毛的流體畫創(chuàng)作的視頻，在內(nèi)測(cè)試任務(wù)中分別完成了2個(gè)主題內(nèi)容的創(chuàng)作。其過程包括：將顏料倒入畫布上混合，并利用吸管、吹風(fēng)機(jī)或刮刀等工具進(jìn)行調(diào)整。以上案例作為測(cè)試樣本有3方面的原因：①這2類主題的創(chuàng)作在流體繪畫中較為常見，具有代表性；②難度適中，適合新手用戶；③在花和羽毛的創(chuàng)作中分別用到了吹風(fēng)機(jī)和刮刀2種特殊效果工具?？梢赃_(dá)到檢驗(yàn)系統(tǒng)能否模擬流動(dòng)效果的目的。

3.4 測(cè)試流程

(1) 培訓(xùn)。向受試者介紹測(cè)試的目的和作用，并強(qiáng)調(diào)測(cè)試的重點(diǎn)是產(chǎn)品的可用性，而不是其個(gè)人的能力和表現(xiàn)。之后，介紹系統(tǒng)的總體功能并對(duì)用戶界面、Oculus CV1和Oculus Touch手柄等的使用進(jìn)行講解。為了促進(jìn)受試者對(duì)流體繪畫的理解，要求其分別觀看現(xiàn)實(shí)中花和羽毛的創(chuàng)作視頻。

(2) 練習(xí)。受試者帶上頭戴式顯示設(shè)備，進(jìn)入虛擬空間，自由練習(xí)。在練習(xí)中有任何疑惑均可提問，但不涉及工作流程。每位受試者的培訓(xùn)時(shí)間為15～20 min。

(3)執(zhí)行測(cè)試。受試者完成2個(gè)案例的測(cè)試。期間，鼓勵(lì)受試者說出正在思考的內(nèi)容。由于藝術(shù)創(chuàng)作具有自主性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此測(cè)試計(jì)時(shí)但不限時(shí)。在此過程中，用戶操作細(xì)節(jié)及結(jié)果均被記錄到日志文件或錄制為視頻。

(4) 繪制完成后填寫SUS問卷并進(jìn)行訪談。

另外，為了測(cè)試系統(tǒng)原型及設(shè)計(jì)方案和流程，在正式測(cè)試前，對(duì)3位藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生(2位本科學(xué)生，1位研究生；2位女性，1位男性)進(jìn)行了預(yù)測(cè)試。通過預(yù)測(cè)試，確定了數(shù)據(jù)收集狀況以及受試者對(duì)問卷的理解程度和測(cè)試所需時(shí)間。測(cè)試環(huán)境及設(shè)備如圖3所示。

圖3 測(cè)試環(huán)境及設(shè)備

3.5 測(cè)試評(píng)價(jià)

本文為2個(gè)案例設(shè)計(jì)了6個(gè)筆刷，通過選用筆刷和調(diào)整參數(shù)完成案例是本測(cè)試的關(guān)鍵步驟。對(duì)于案例1，主要使用普通筆刷1，以及帶有2種不同吹風(fēng)機(jī)特效的筆刷2和3；對(duì)于案例2，分別使用普通筆刷6，以及帶有2種不同刮刀特效的筆刷7和8。其中預(yù)制筆刷的排列，先右后左，每列自上而下被命為筆刷1～9，其中2，3，7，8為特效筆刷。

4 結(jié) 果

測(cè)試為期2周，共有13位藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生參與了正式測(cè)試，其中男生5人，女生8人；9位本科生，3位碩士生和1位博士生；年齡19～28歲。7位曾有過VR體驗(yàn)；9位學(xué)過繪畫，其中，7位的繪畫基礎(chǔ)超過1年。就流體繪畫方面的經(jīng)驗(yàn)而言，有5位聽說過流體繪畫，僅有2位畫過流體繪畫。所有的受試者均為首次使用本文系統(tǒng)。不過，有2位表示，“雖沒用過該系統(tǒng)，但用過類似的”。均無視覺障礙，且均為右利手。

4.1 SUS量表結(jié)果

圖4為13位受試者的SUS總分以及相對(duì)應(yīng)的形容詞等級(jí)[23]。不難看出，所有的受試者均認(rèn)為系統(tǒng)可用性不低于一般水平。其中，6/13的受試者認(rèn)為可用性良好或優(yōu)秀，7/13受試者認(rèn)為可用性一般。另外，研究還發(fā)現(xiàn)受試者的流體繪畫經(jīng)驗(yàn)與對(duì)系統(tǒng)可用性的評(píng)價(jià)存在關(guān)系。受試者5和9有過流體繪畫的創(chuàng)作經(jīng)驗(yàn)，相較其他沒有流體繪畫實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的受試者，對(duì)系統(tǒng)有更高的評(píng)價(jià)。

圖4 13位受試者SUS總分及相應(yīng)形容詞等級(jí)

4.2 操作日志分析

在測(cè)試過程中，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)受試者活動(dòng)的全過程進(jìn)行視頻錄制和操作日志記錄。在日志中分別記錄了每一次操作事件的時(shí)間、行為、對(duì)象、具體操作及其他相關(guān)細(xì)節(jié)(如用戶界面中參數(shù)設(shè)定的具體的值，筆刷繪制的具體位置等)。表2分別列出了行為-對(duì)象-操作3組日志記錄標(biāo)簽分類及編碼表。

測(cè)試中用戶的行為分為3類：①離散事件，如點(diǎn)擊手柄上實(shí)體按鈕A/B鍵、通過扳機(jī)對(duì)用戶界面上按鈕(預(yù)設(shè)顏色、筆刷和紋理等)進(jìn)行選擇等；②連續(xù)事件，如通過搖桿對(duì)物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和繪制。日志記錄事件的“開始”和“結(jié)束”及參數(shù)值變化情況。

統(tǒng)計(jì)工具使用頻率發(fā)現(xiàn)，除了案例1中的受試者5和9，其余受試者在2個(gè)案例中均選用了正確的筆刷工具。所有的受試者均完成了案例中的流體繪畫。在筆刷工具中，半徑調(diào)節(jié)工具使用頻率最高；在取色工具中，預(yù)設(shè)顏色的選用頻率也較高。藝術(shù)家在現(xiàn)實(shí)創(chuàng)作中最常調(diào)整的是畫筆的顏色和筆刷大小[10]。

表2 行為，對(duì)象及操作標(biāo)簽代碼含義

10/13的受試者在第1個(gè)案例中所用的時(shí)間明顯高于第2個(gè)，如圖5所示，考慮到2個(gè)案例在難度上相近，有可能隨著時(shí)間的推進(jìn)大部分受試者對(duì)系統(tǒng)的使用趨于熟練。本文系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)流體繪畫效果，且工作流程靈活，功能的設(shè)計(jì)符合用戶的習(xí)慣。

圖5 13位受試者完成2個(gè)案例所用時(shí)間

4.3 深度訪談

深度訪談主要反映受試者的主觀感受。其內(nèi)容總結(jié)如下：

(1)受試者對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)中(表3)，積極評(píng)價(jià)多于非積極的評(píng)價(jià)。部分受試者認(rèn)為操作簡(jiǎn)單易學(xué)、好用，體驗(yàn)過程富有趣味，創(chuàng)作自由且能夠產(chǎn)生吸引人的效果。然而，一部分受試者認(rèn)為交互方式、用戶界面等還存在一些問題導(dǎo)致體驗(yàn)不佳。其中，幾條關(guān)于人體工程學(xué)的評(píng)論值得注意。首先，盡管本文采用單個(gè)手柄進(jìn)行操作，繪畫時(shí)需持續(xù)保持同一姿勢(shì)，讓人感到疲勞。文獻(xiàn)[16]建議，使用更加輕量的輸入設(shè)備并最大程度地減少單個(gè)操作所需的精力將有望緩解使用的疲勞感。另外，“(手柄)精細(xì)操作容易手抖”的問題可能與以下幾個(gè)方面的因素有關(guān)：①繪畫時(shí)無物理依靠，控制困難；②長期執(zhí)有手柄感到疲勞；③手柄的精度還無法滿足精細(xì)操作的需求；④速度太慢也會(huì)引起抖動(dòng)。這在一定程度上會(huì)影響藝術(shù)家的藝術(shù)創(chuàng)作和表達(dá)。文獻(xiàn)[8]建議，訓(xùn)練手部動(dòng)作，或者避免過小的視覺操作動(dòng)機(jī)，可以緩解不準(zhǔn)確造成的干擾。尋找藝術(shù)和技術(shù)的平衡點(diǎn)也是后續(xù)迭代設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題。

表3 受試者對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)

(2) 當(dāng)問及“你覺得系統(tǒng)的哪些地方需要改進(jìn)？”時(shí)，受試者的意見主要集中于用戶界面的交互問題上。不少人指出，用戶界面一直顯示在全景式畫布上，“容易誤觸”“很礙手礙腳”。相比而言，Tilt Brush將用戶界面從虛擬空間中的畫布上解放出來，連接在用戶的左手上，用戶界面和畫布相互獨(dú)立，互不干擾。另外，允許用戶界面隱藏也可以達(dá)到相似的效果。

(3) 受試者還提出如下建議：有3位希望增加撤銷功能。有1位希望提供更豐富的畫筆效果。還有的受試者提出，作品以圖片的形式保存下來，失去了沖擊力和表現(xiàn)力。

4.4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了更加客觀地評(píng)估基于VR的全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)的可用性問題，及其功能特點(diǎn)，本文以Tilt Brush為對(duì)照對(duì)象，采用同樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法進(jìn)行對(duì)照研究(圖6)。共有5名藝術(shù)專業(yè)的學(xué)生參與了該項(xiàng)用戶測(cè)試，并繪制同樣的2幅測(cè)試作品。其中男生2人，女生3人，包括4位大學(xué)生和1位研究生。其均有過VR體驗(yàn)以及3年以上繪畫基礎(chǔ)。

圖6 受試者作品比較

所有的受試者均認(rèn)為Tilt Brush軟件的可用性為良好及以上水平。3位受試者認(rèn)為可用性良好，另2位認(rèn)為可用性優(yōu)秀。應(yīng)用其繪制立體線條非常有表現(xiàn)力且使用方便，但是對(duì)于帶有動(dòng)力學(xué)質(zhì)感的測(cè)試畫面較困難。

4位受試者表示Tilt Brush的界面更加完善，而PFP界面的一些常用功能有待更新。1位受試者認(rèn)為Tilt Brush畫板的三棱柱形界面設(shè)計(jì)擴(kuò)展了畫板的空間。2位受試者認(rèn)為PFP的筆刷制作流程有助于繪制較復(fù)雜的畫面，但學(xué)習(xí)其設(shè)定有一定困難。

與基于全景式繪畫空間的VR全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)相比，Tilt Brush的特色在于三維立體作畫空間。從體驗(yàn)上來說，受試者認(rèn)為2個(gè)軟件均充滿趣味，容易上手，且?guī)硇缕骟w驗(yàn)。

5 操作日志可視化分析

對(duì)于藝術(shù)繪畫應(yīng)用，用戶在5 min左右的繪制過程中，將進(jìn)行1.0～1.5萬次左右的操作，這些操作具有明顯的規(guī)律性和隨時(shí)間變化規(guī)律。本文通過可視化方法，更加直觀完整地表現(xiàn)用戶行為模式，并從中分析用戶行為特點(diǎn)。將行為-對(duì)象-操作編碼分別實(shí)時(shí)可視化(圖7)，從中詳細(xì)地觀察到4.2節(jié)中通過量化分析方法總結(jié)出的用戶替換和使用筆刷的頻率和模式。

圖7 實(shí)時(shí)可視化((a)行為-對(duì)象-操作日志可視化；(b)關(guān)鍵事件可視化)

進(jìn)一步將不同用戶的行為可視化圖像進(jìn)行比對(duì)，并直觀地呈現(xiàn)其用筆模式的異同(圖8)。一些受試者傾向于先用預(yù)設(shè)普通筆刷完成草稿，而后用特效筆刷來實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的效果，另一些則交叉使用預(yù)設(shè)普通筆刷和特效筆刷。圖8(a)中的m1段用戶頻繁更換顏色并測(cè)試，圖8(b)和(c)中的兩處m2段用戶花更多時(shí)間精細(xì)選擇顏色并頻繁使用固定顏色。類似的用筆模式區(qū)別在筆刷和參數(shù)的工具使用中也被觀察到。在測(cè)試筆刷的過程中，圖8(a)和(c)中的m3段用戶用筆頻率階段性高低變化。圖8(d)中的m4段用戶有繪制與休息思考間歇的行為。這些模式為今后進(jìn)一步量化分析提供了新的思路。

用戶使用過程中頻率最高的關(guān)鍵事件對(duì)應(yīng)于行為-對(duì)象-操作等3組參數(shù)的組合，并對(duì)這些事件單獨(dú)進(jìn)行編碼(表4)，將4.2節(jié)中離散事件和連續(xù)事件分別呈現(xiàn)在事件可視化畫面中，為直觀分析提供更清晰的輔助工具。進(jìn)一步觀察到繪制、選筆刷和顏色這3類關(guān)鍵事件在本系統(tǒng)的用戶行為中最具代表性，因此，本文從關(guān)鍵事件可視化中提取上述3個(gè)事件的圖像合成，作為主要事件分析的工具(圖9)。通過3個(gè)事件的用戶比較可觀察到上述行為規(guī)律。

圖8 用戶比較及舉例((a)行為；(b)對(duì)象；(c)操作；(d)關(guān)鍵事件))

表4 行為-對(duì)象-操作及其對(duì)應(yīng)關(guān)鍵事件和事件編碼

圖9 繪制(黃色)，選筆刷(綠色)和選顏色(粉色)3個(gè)代表性事件的用戶行為模式比較

6 討 論

本文以流體畫為例，研究了基于VR的全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)的可用性問題，得到以下結(jié)論和發(fā)現(xiàn)：首先，該系統(tǒng)能夠有效地支持在VR空間模擬流體繪畫效果。即便是一個(gè)毫無經(jīng)驗(yàn)的新手用戶也可以利用該系統(tǒng)完成流體繪畫的創(chuàng)作。同時(shí)，所有的受試者均認(rèn)為系統(tǒng)的可用性不低于一般水平。具有流體繪畫實(shí)踐經(jīng)歷的受試者對(duì)系統(tǒng)的可用性有更高的評(píng)價(jià)。其次，從用戶的主觀評(píng)價(jià)來看，大部分受試者的體驗(yàn)感受是積極的，積極評(píng)價(jià)多于非積極的評(píng)價(jià)。不過關(guān)于用戶界面的交互，以及幾個(gè)人體工程學(xué)方面的問題還有待進(jìn)一步深入探究?？偠灾到y(tǒng)具備較好的可用性。

在進(jìn)行用戶行為模式分析過程中，本文針對(duì)日志結(jié)構(gòu)開發(fā)了可視化的工具，并從中分析到用戶行為模式。在未來，研究將延伸至對(duì)操作日志的進(jìn)一步可視化分析，使研究人員可以及時(shí)了解用戶的操作行為、監(jiān)測(cè)用戶的創(chuàng)作過程，為基于VR的全景式流體繪畫創(chuàng)作系統(tǒng)的可用性評(píng)估提出進(jìn)一步研究建議，從而豐富VR應(yīng)用的可用性評(píng)估方案。

盡管360°全景式球幕為人們提供了環(huán)繞式的全方位繪畫空間，受試者可充分利用全景式空間。除了培訓(xùn)案例的局部性因素，對(duì)新手用戶而言，適應(yīng)并開展沉浸式的自主創(chuàng)意需要一個(gè)過程。這也是后續(xù)工作需關(guān)注的問題。

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A usability study of panoramic fluid painting system in immersive virtual environments

ZHU Yong-ning1, GE Ting1, DU Sheng-yu2, LOU Ze-ru1, WANG Jian-min1

(1. College of Arts and Media, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Tencent TiMi T2 Studio, Shanghai 200233, China)

Immersive Virtual Environments (IVEs) bring more realistic immersion and in-person experience to 3D scenes. Besides, 360-degree panoramic images are imperative for the effective creation of immersive environment backgrounds. Panoramic Fluid Painting (PFP) introduces a novel creative tool for panoramic painting with fluid dynamics. In this paper, the applicability of virtual reality technologies was investigated in the field of fluid painting. Specifically, the user testing method, operation log analysis, post-hoc questionnaire, and interview were employed to study the usability of the PFP system in virtual reality environments. Then, the operation log was investigated to facilitate procedural analysis. All testers believe that the usability of the system was no lower than the average level, and even a novice user can use the system to complete the creation of fluid painting pieces.The users primarily held positive opinions on the function and effects of the system, insisting thatsuch interaction methods of the handle would enhance the expression of artistic creation. The methods and results of the research would provide a reference for the development and evaluation of similar systems.

usability; effectiveness; user experience; virtual reality; fluid art

TP 391；TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050833

A

2095-302X(2021)05-0833-08

2020-11-19；

2021-02-20

19 November，2020；

20 February，2021

國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB1004903)；國家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(71804126)；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目和同濟(jì)大學(xué)研究生教育研究與改革項(xiàng)目(2020JC35)

National Key Research and Development Plan of China (2018YFB1004903); National Youth Science Fund of China (71804126); Excellent Experimental Teaching Project of Tongji University and Graduate Education Research and Reform Project of Tongji University (2020JC35)

朱永寧(1981–)，女，北京人，助理教授，博士。主要研究方向?yàn)榻换ッ襟w藝術(shù)和物理模擬。E-mail：yongningbrg@qq.com

ZHU Yong-ning (1981-), female, assistant professor, Ph.D. Her main research interests cover interactive media art, physical based simulation and animation. E-mail：yongningbrg@qq.com

王建民(1973–)，男，內(nèi)蒙古包頭人，教授，博士。主要研究方向?yàn)榻换ピO(shè)計(jì)。E-mail：wangjianmin@#edu.cn

WANG Jian-min (1973–), male, professor, Ph.D. His main research interest covers interactive design. E-mail：wangjianmin@#edu.cn