燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)中多維度信息傳遞的研究

馬華

(蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字藝術(shù)系，江蘇，蘇州 215104)

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燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)中多維度信息傳遞的研究

馬華

(蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)字藝術(shù)系，江蘇，蘇州 215104)

燈光是一種常見的環(huán)境顯示(Ambient Display)媒介，它能在提供新穎與美的體驗的同時，傳遞一定的環(huán)境信息. 但是，由于燈光的抽象特性，燈光環(huán)境顯示在傳遞多維度信息，提高信息容量，并通過燈光有效表達(dá)具體的細(xì)節(jié)信息方面，還有待探索. 本文基于距離交互理論，探索燈光環(huán)境顯示的一種交互設(shè)計框架，在理解用戶行為和意愿的基礎(chǔ)上，研究如何基于此框架向人們傳遞多維度的和具體的細(xì)節(jié)信息. 研究結(jié)果表明，通過保持不可見性與有效性之間的平衡，基于具有疊加機(jī)制的交互框架，以合理的變化為載體，燈光環(huán)境顯示將能夠有效地提高信息傳遞的容量.

環(huán)境顯示；距離交互；交互框架；信息容量；變化；燈光

隨著傳感技術(shù)、新興媒介以及各種交互技術(shù)的不斷應(yīng)用，環(huán)境顯示領(lǐng)域中傳遞環(huán)境信息的形式越來越多樣，傳遞信息的媒介也越來越豐富. 燈光是一種具有抽象性的可視化媒介. 同時，智能燈光被證明是在新型環(huán)境顯示設(shè)計中傳遞信息的一種有效的交流媒介[1]，并能在美化和加強(qiáng)特定氛圍的同時，使人感知情境. 然而，因為燈光在信息裝飾方面的抽象特性，用智能燈光來傳遞多維度的信息和某些具體的細(xì)節(jié)信息成為了環(huán)境顯示設(shè)計中的難題.

現(xiàn)有的距離交互理論研究表明，用戶隱性的行為線索(如：方向和距離)和顯性的行為活動[2](如：手勢和點(diǎn)擊觸摸)對于環(huán)境顯示會產(chǎn)生3個交互區(qū)域[3]和4個交互階段[2]. 在此基礎(chǔ)上，環(huán)境顯示的設(shè)計需要基于一個行為和反饋的交互框架[4]，使其更好地理解用戶的行為、感知用戶的意愿，并設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)通知級別[5]來有效傳遞信息.

本文將基于距離交互理論來研究如何在以燈光為媒介的環(huán)境顯示設(shè)計中傳遞多維度的信息，從而提高信息傳遞的容量，并有效傳達(dá)具體的細(xì)節(jié)信息. 通過分析用戶行為及其所處的情境之間的關(guān)聯(lián)，研究用戶活動與系統(tǒng)反饋之間的關(guān)系，從而探索一種環(huán)境顯示的交互設(shè)計框架. 在這個框架中嘗試用維度(離散的信息來源[6])的數(shù)量來描述信息容量，并在交互區(qū)域與信息維度之間建立關(guān)聯(lián). 同時，在此交互設(shè)計框架中，通過設(shè)計“變化”創(chuàng)造一系列顯示事件，提供用戶所期待的、能感知的信息.

1 相關(guān)工作

1.1 關(guān)于環(huán)境顯示交互框架的研究

許多研究基于距離探索環(huán)境顯示的交互框架[2-3，7]. 這些框架中，從隱性交互到顯性交互，在不同的交互階段之間，環(huán)境顯示的變化會使人們產(chǎn)生對信息的需求并使他們主動參與互動[7].

斯特賴茨等[3]根據(jù)距離將環(huán)境顯示的交互區(qū)域區(qū)分為3個：環(huán)境區(qū)域、通知區(qū)域和交互區(qū)域. 見圖1. 在其實驗項目環(huán)境集市中，他們分別設(shè)計了等待圖案和通知圖案兩種不同的燈光圖案，對應(yīng)人們在環(huán)境區(qū)域和通知區(qū)域兩個不同的區(qū)域接收到的信息. 在交互區(qū)域，他們使用手持的移動終端設(shè)備為人們提供環(huán)境感知服務(wù)，通過終端設(shè)備提供細(xì)節(jié)化的、個人的信息. 見圖2.

在沃爾格等[2]的研究中，他們探索一種具有4個階段的交互框架，包括了：環(huán)境顯示階段、隱性交互階段、細(xì)微交互階段和個人交互階段. 4個交互階段分別覆蓋了從遠(yuǎn)距離的隱性交互到近距離的顯性交互，同時，相對應(yīng)地從傳遞公共信息到傳遞多用戶的個人信息.

朱溫迪等[7]注重研究顯性交互和隱性交互之間的變化. 他們認(rèn)為：研究變化，就是研究何時和如何告知用戶、使用戶感知. 因此，他們實踐了一種隱性交互的交互框架，將用戶注意力需求水平和系統(tǒng)主動性級別兩個軸，應(yīng)用在一塊白板上. 在公共、社會、個人和私密4個區(qū)域之間設(shè)計變化.

馬修斯等[8]將環(huán)境顯示中的通知水平定義為5個級別：忽略、改變無視、使人意識到、打斷和需要注意. 同時，基于這5個級別，將變化分為3類：平穩(wěn)變化、突然變化和吸引注意力的變化.

1.2 關(guān)于以燈光為媒介的環(huán)境顯示應(yīng)用

以燈光為媒介的環(huán)境顯示被應(yīng)用在很多不同的情境中，例如家庭生活、辦公和社交等.

環(huán)境球[9]是一個利用不同色彩的燈光顯示實時信息的球形燈. 實時信息可以有交通擁擠情況、實時天氣情況、股市行情等等. 環(huán)境集市利用多樣的燈光圖案來代表不同的公共信息和個人信息，并借用手持終端在近距離的交互區(qū)域?qū)⒊橄蟮臒艄鈭D案翻譯為具體的細(xì)節(jié)信息. 借用一個屏幕是其提高信息容量的方法. AmbiPower[10]采用跳動的彩色燈光顯示家庭中當(dāng)前的使用電量. 從綠色到紅色，代表了消耗的電量的增加. 其中顏色的變化能以不顯眼的方式很好地傳遞信息，但是跳動本身造成了一定程度的打擾. 為了管理會議時間，歐凱里尼等[1]探索了燈光能否在工作環(huán)境中傳遞環(huán)境信息. 在其鹵素?zé)舻脑椭?，燈光的上下方向、顏色和?qiáng)度均被采用在顯示會議的狀態(tài).

這些研究探索了利用燈光的不同屬性(顏色、亮度、圖案、變化的頻率等)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并設(shè)計對應(yīng)的顯示事件. 但是，在以燈光為媒介的環(huán)境顯示設(shè)計中還存在著有待解決的問題. 例如，怎樣在不打擾人們的同時有效傳遞信息，即保持傳遞信息的不可見性和有效性兩者之間的平衡？怎樣合理地對信息進(jìn)行編碼？本文，將在這兩個問題的基礎(chǔ)上，探索如何提高其有效傳遞信息的容量.

2 交互框架

2.1 研究環(huán)境的分析

本文的研究環(huán)境是工作區(qū)域中的公共休息空間. 通過為公共休息空間設(shè)計燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)研究. 研究針對一個名為“Breakout 404”的房間，它是工作區(qū)域中公共的、開放的、并具有交談和休息等多種功能的房間. 房間的使用頻率很高. 通過觀察和調(diào)研，人們在使用這個房間過程中存在著兩方面的信息需求. 首先，房間是否被占用是人們最關(guān)注的；其次，某些相關(guān)的信息線索可以幫助房間外的人們做出決定. 如果房間是被占用的，人們是否需要等待一會兒，還是去尋找使用其他的房間？這取決于房間還將被使用多久. 相反地，如果房間是空閑狀態(tài)，能否直接進(jìn)入房間？房間是否已被預(yù)約？

但是，“是否不久將空閑？”及“是否很快有預(yù)約？”這兩個信息較為抽象和主觀，需要分別利用更多的細(xì)節(jié)和客觀的信息來描述. 信息“是否不久將空閑？”，將幫助人們決定是否繼續(xù)等待這個房間. 大部分被采訪者認(rèn)為：如果等待時間超過30 min，人們將不再等待；如果等待時間低于30 min，人們會希望了解具體需要等待的時間，從而來幫助自己做決定. 因此，如表1中所示，對應(yīng)上述兩種情況，分別用信息2.1和信息2.2來對應(yīng)顯示. 信息“是否很快有預(yù)約？”，是幫助人們決定是否使用當(dāng)前空閑的房間. 同樣地，如果30 min內(nèi)沒有預(yù)約，大部分被采訪者會直接進(jìn)入房間. 相反，如果30 min內(nèi)有預(yù)約，人們會要關(guān)注具體多久房間將要被使用. 針對這兩種情況，信息3.1和信息3.2分別對應(yīng)顯示. 詳見表1.

表1 信息的信息源與信息維度分析

針對以上需求，設(shè)計一個可交互的燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)iKnow，見圖3，來傳遞與房間相關(guān)的信息. iKnow基于一個具有疊加機(jī)制的交互框架，通過合理的信息編碼和設(shè)計變化來提高信息傳遞容量.

2.2 具有疊加機(jī)制的交互框架

iKnow作為以燈光為媒介的環(huán)境顯示系統(tǒng)，需要在不超出用戶感知能力的前提下，傳遞多維度的信息；需要分析人們在不同情境下對不同信息的期待，從而傳遞人們需要的信息. 更近的距離將帶來人們之間交流度和親密感的提升[11]. 基于斯特賴茨等提出的環(huán)境顯示的“距離交互區(qū)域”[3]，從環(huán)境區(qū)域、通知區(qū)域到交互區(qū)域，人們的注意力水平逐漸提升. 同時，人們接受信息的開放度也逐漸提高[2]. 因此，在最接近iKnow的交互區(qū)域，人們比較容易接受更多、更細(xì)節(jié)的信息.

當(dāng)人們從最遠(yuǎn)的環(huán)境區(qū)域到最近的交互區(qū)域，iKnow逐漸遞增所傳遞的信息維度. 信息源被疊加在前一個交互區(qū)域所傳遞的信息源之上. 例如，當(dāng)人們逐漸走近iKnow，他們已經(jīng)從iKnow讀到了房間的狀態(tài)，空閑或者被占用. 在近距離面對iKnow時，即使iKnow不再直接表達(dá)房間空閑與否這個信息源，他們也已經(jīng)能直觀和潛在地理解房間的狀態(tài).

另一方面，在不同房間狀態(tài)下，相同的區(qū)域，傳遞的信息可以不同. 同樣在交互區(qū)域，當(dāng)房間是空閑的，iKnow呈現(xiàn)的是距離預(yù)約的時間；而當(dāng)房間被占用時，呈現(xiàn)的則是還需占用的時間.

因此，根據(jù)以上兩方面的探索，iKnow在交互框架中利用疊加機(jī)制，嘗試在不同區(qū)域分配不同的信息維度. 環(huán)境區(qū)域中分配的信息維度為1，通知區(qū)域的信息維度遞增為2，交互區(qū)域遞增為3. 見圖4.

從圖4中還可以看到，從環(huán)境區(qū)域到交互區(qū)域，iKnow有8個系統(tǒng)狀態(tài). 每個系統(tǒng)狀態(tài)傳遞不同的信息，也具有不同的信息維度. 具體的信息源分布見表2.

表2 系統(tǒng)狀態(tài)及信息源分布

基于具有疊加機(jī)制的交互框架，iKnow利用人們隨著注意力水平的提高，對接受信息的開放度提高的特點(diǎn)，逐步提高傳遞信息的維度. 同時，根據(jù)人們在不同情境下對不同信息的期待，在交互框架中，傳遞不同的信息. 從這兩個方面來提高環(huán)境顯示系統(tǒng)的信息容量.

但是，在此基礎(chǔ)上，交互框架中的每個信息源需要有合理的信息編碼方式來對應(yīng). 在系統(tǒng)狀態(tài)變化時，需要設(shè)計恰當(dāng)?shù)淖兓?，與當(dāng)時人們的注意力水平相當(dāng). 這樣才能使人們很好地接受和感知信息.

2.3 信息編碼和變化設(shè)計

燈光有其特有的屬性來支持信息編碼，例如：顏色、亮度、飽和度，以及變化的頻率和周期等[10]. iKnow考慮基于燈光的特有屬性，變化等級[8]，以及環(huán)境顯示的元素[12]，來進(jìn)行信息編碼.

馬修斯等提出，基于人的注意力級別和系統(tǒng)的通知級別，變化等級，可以被分為平穩(wěn)變化、突然變化和吸引注意力的變化. 變化等級與注意力級別和通知級別的對應(yīng)關(guān)系見表3.

2.3.1 信息輸出通道與數(shù)據(jù)匹配

從表4中可以看出，在環(huán)境區(qū)域，iKnow將數(shù)據(jù)源(房間狀態(tài)：空閑或被占用)與輸出通道(燈光顏色)相匹配. 紅色匹配被占用，綠色匹配空閑. 而在通知區(qū)域，輸出通道(LED燈的快閃)被用來與兩個數(shù)據(jù)源(“30 min內(nèi)有預(yù)約”及“還將占用不到30 min”)匹配. 在交互區(qū)域，iKnow嘗試使用一種特殊的輸出通道(飽和度對比)來表達(dá)具體時間(“多久將會有預(yù)約”以及“還要被使用多久”).

表3 馬修斯的變化等級與注意力和通知級別

Tab.3 Transition classes， attention and notification levels in Matthew’s PTK

注意力級別通知級別變化等級集中注意力需要操作集中注意力打斷吸引注意力的變化分散的注意力使意識到突然變化不注意看到平穩(wěn)變化

表4 “iKnow”的輸出通道和數(shù)據(jù)匹配

2.3.2 系統(tǒng)通知級別及“變化”的設(shè)計

在交互框架中，從環(huán)境區(qū)域到交互區(qū)域，iKnow的各個系統(tǒng)狀態(tài)的通知級別也隨之逐漸提升，如圖5所示. 基于不同的系統(tǒng)通知級別，iKnow設(shè)計恰當(dāng)?shù)淖兓瘉砼c人們的注意力水平對應(yīng)，并有效實現(xiàn)信息的傳達(dá)，使人們感知并理解相應(yīng)的信息. iKnow應(yīng)用隱性交互方法：系統(tǒng)對用戶正在進(jìn)行的行為做出反饋；系統(tǒng)向用戶展示系統(tǒng)本身的狀態(tài). 為了對用戶逐漸靠近的行為做出反饋，在系統(tǒng)狀態(tài)從①轉(zhuǎn)變?yōu)棰刍颌?，以及從②轉(zhuǎn)變?yōu)棰芑颌?，采用提高亮度的變化方法T(I) (見圖5)，使人們的注意力級別從不注意到分散的注意.

當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)從①轉(zhuǎn)變?yōu)棰?，以及從②轉(zhuǎn)變?yōu)棰蓿琲Know在提高亮度的同時出現(xiàn)中部LED燈的快閃變化T(Q)，并同步出現(xiàn)一個觸摸區(qū)域，增加了一個輸出通道，變化T(A)，來邀請人們觸摸它，暗示將有更多地信息會呈現(xiàn)(見圖5). 其含義在于，向用戶展示系統(tǒng)本身的兩個狀態(tài)，即“房間在30 min內(nèi)有預(yù)約”或者“房間還將被占用的時間少于30 min”，并提醒人們可以通過觸摸，看到具體時間信息.

在通知區(qū)域的系統(tǒng)狀態(tài)⑤或者⑥，當(dāng)人們被快閃吸引了足夠的注意力，人們會靠近iKnow，進(jìn)入交互區(qū)域，并觸摸它. 此時，iKnow用停止LED的快閃變化T(SQ)來對用戶的觸摸動作做出反應(yīng)，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)棰呋颌? 在系統(tǒng)狀態(tài)⑦和⑧，iKnow改變了燈光顏色的數(shù)據(jù)源匹配，變化T(C)，將燈光顏色匹配為后續(xù)的房間狀態(tài)，而不再是當(dāng)前的房間狀態(tài). 與此同時，采用了特殊的輸出通道，即將iKnow分為上下兩個部分，通過比較上下兩個部分燈光的飽和度來表現(xiàn)具體時間.

3 iKnow的效果評估

3.1 評估方法與過程

iKnow嘗試為環(huán)境顯示系統(tǒng)提高信息容量和傳遞細(xì)節(jié)信息，并保持不可見性與有效性之間的平衡. 為了評估其是否達(dá)到了這樣的設(shè)計目標(biāo)，從感知、理解和體驗3個層面細(xì)化了研究問題，見表5.

表5 3個層面的細(xì)化研究問題

招募在此區(qū)域工作的15位測試對象(5位研究生，10位教師). 預(yù)設(shè)一套開放問題(7個問題組)，進(jìn)行走查評估. 測試對象需要在評估過程中，完成設(shè)定好的任務(wù)，并以口頭和書面兩種形式回答問題. 評估者采用定性的研究方法，通過訪談、問卷和觀察方法來收集數(shù)據(jù).

3.2 評估結(jié)果分析

在感知層面，測試對象能注意到iKnow的變化. 當(dāng)他們在房間門口時，他們能感覺到燈光比原來亮了，他們開始注意到iKnow. 當(dāng)LED亮度提高和快閃的時候，他們產(chǎn)生了好奇心，注意力級別逐漸提升. 有兩位測試者提出，當(dāng)房間空閑，并且30 min內(nèi)沒有預(yù)約的時候，在通知區(qū)域的系統(tǒng)通知級別可以略有降低. 在這個情境中，iKnow不需要通過變化對人們進(jìn)行提醒. iKnow建議人們直接進(jìn)入房間. 因此，這表明了有可能嘗試在同一個區(qū)域的相同條件下，根據(jù)情境的不同，安排不同的通知級別. 例如，系統(tǒng)狀態(tài)③和④，可以探索設(shè)定不同的通知級別.

在理解層面，當(dāng)測試者們走近iKnow或者觸摸之后，即使iKnow增加了數(shù)據(jù)輸出通道，或者改變了數(shù)據(jù)源匹配，他們?nèi)阅芮逦乩斫猓瑢⒈桓嬷裁葱畔? 一些測試者還表現(xiàn)出獲得更多信息的興趣. 這些結(jié)果表明，基于疊加機(jī)制的交互框架，燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)有效提高信息容量是可能的.

在體驗層面，測試者們都能很好地完成設(shè)定好的任務(wù)，在不同的情境下，對于使用房間與否，做出了恰當(dāng)?shù)臎Q定. 但也有測試者提出，iKnow把30 min作為一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，將剩余的時間和距離預(yù)約的時間與30 min進(jìn)行比較，可能會比較難適應(yīng)不同的人. 因為，不同的人對“不久”的理解是不同的.

3.3 評估總結(jié)

首先，測試者們對iKnow產(chǎn)生了極大的興趣. 特別是，他們認(rèn)為iKnow既很新奇，又很有用. 當(dāng)他們想要進(jìn)入房間，或者在等待房間的過程中，他們能夠從燈光中獲得有用和多樣的信息. 他們獲得的信息，正是他們在那一刻所期待的.

其次，結(jié)合人們自身的行為和房間的狀態(tài)，他們能注意和抓取到系統(tǒng)的變化. 同時，這些變化與他們在不同時刻的注意力水平吻合. 既沒有打擾到他們，又有效地表達(dá)了信息. 因此，在將來的探索中，可以在這樣的框架下，進(jìn)一步研究人們對于變化的可承受能力.

4 結(jié) 論

本項研究著重探索燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)提高信息容量和傳遞具體細(xì)節(jié)信息的可能性及方法. 在研究中，兩個重點(diǎn)是被關(guān)注的:① 信息傳遞不能超出人們的理解范圍；② 信息傳遞需要保持不可見性與有效性的平衡. 通過為公共房間Breakout 404設(shè)計燈光環(huán)境顯示系統(tǒng)iKnow，對研究目標(biāo)進(jìn)行探索. iKnow的設(shè)計目標(biāo)是傳遞多樣的、具體的有用信息，包含房間狀態(tài)、房間使用時間、預(yù)約時間等信息，從而幫助人們對自己的行為作出決定. 例如：使用房間、等待房間或者選擇其他房間.

從分析的結(jié)果可以看出，iKnow基于一個具有疊加機(jī)制的交互框架，能有效傳遞多維度的信息. 人們能夠感知信息，并獲得與情境有關(guān)的線索和建議，從而來作出決定. 具體來看，首先，傳遞的信息與人們的期待相匹配. 其次，交互框架中每個系統(tǒng)狀態(tài)的通知級別符合人們的注意力水平，編碼方式和變化的設(shè)計實現(xiàn)了信息傳遞的不可見性和有效性.

總的來說，研究表明，盡管燈光在信息裝飾方面具有著抽象的特征，它作為一種媒介在表現(xiàn)美感和營造氛圍的同時，同樣能有效傳遞多樣的信息. 基于疊加機(jī)制的交互框架有助于解決燈光環(huán)境顯示設(shè)計中的“何時”和“怎樣”的問題. 關(guān)于“何時”的問題，基于交互框架，能結(jié)合用戶的行為和距離，關(guān)聯(lián)用戶的期待，合理分布傳遞的信息. 即，解決何時傳遞多樣信息的問題. 關(guān)于“怎樣”的問題，交互框架的疊加機(jī)制能包容多種“變化”元素和方式，如：增加數(shù)據(jù)源、增加輸出通道、改變數(shù)據(jù)匹配，從而能清晰、有效地傳遞多維度信息，提高信息容量. 即，解決如何傳遞多樣信息的問題. 此外，基于燈光屬性的信息編碼和變化的有效設(shè)計則依賴于交互框架中通知級別的合理匹配.

在將來的工作中，研究將探索如何進(jìn)一步提高信息容量，并在此過程中研究用戶在不同的距離交互區(qū)域，對多種變化的承受力. 另外，對于用特殊輸出通道來傳遞細(xì)節(jié)信息的有效性，即通過比較上下兩個部分燈光的飽和度的方式來表現(xiàn)具體時間，將在今后的研究中進(jìn)行有針對性的深入探索和驗證.

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(責(zé)任編輯：李兵)

Research on Multi-Dimension Information Transfer for Ambient Display with Light

MA Hua

(Department of Digital Innovation，Suzhou Art and Design Technology Institute， Suzhou，Jiangshu 215104，China)

Light is an appropriate medium for ambient display， which can provide people novel and aesthetical experience and convey ambient information. But since the abstract characteristic of information decoration in light， to convey diverse and specific detailed information and to increase information capacities in ambient displays become the challenges for designer. In this paper， based on the theories of proxemics interaction， the user’s behavior to understand their wishes was analyzed， an interaction design framework was explored for ambient display， multiple dimensions and detailed information transfer. Results show that， based on the framework， the information capacity with light can be increased for ambient display with overlay mechanism， with appropriate transitions and keeping balance between unobtrusiveness and effectiveness.

ambient display; proxemics interaction; interaction framework; information capacity; transitions; light

2015-11-18

江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修項目

馬華(1977—)，女，碩士，副教授，E-mail:feixin7712@126.com.

TP 37

A

1001-0645(2016)10-1065-07

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.10.015