走向循證的體驗設(shè)計：基于虛擬現(xiàn)實的認(rèn)知人因分析平臺研究

吳振東 孫楚俏 艾小群

摘要：虛擬現(xiàn)實對于設(shè)計學(xué)是一種以認(rèn)知人因?qū)W為理論基礎(chǔ)，信息化仿真技術(shù)為支撐，將非理性的感性意象信息加以量化與循證的研究范式。分析其研究屬性，并進一步闡述虛擬現(xiàn)實對于設(shè)計研究的重要特征：多維度體驗感知人因綜合分析平臺的有效性。并用虛擬現(xiàn)實眼動聯(lián)動的實驗方法對主題地鐵的空間設(shè)計加以分析與設(shè)計策略研究。據(jù)此探討如何應(yīng)用智能技術(shù)來研究人的動機和行為，及潛在需求，有利于構(gòu)建以人的認(rèn)知為中心的設(shè)計研究體系，重新理解沉浸式虛擬現(xiàn)實對于設(shè)計學(xué)的研究價值。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；循證；感知人因；設(shè)計實踐

作者簡介：吳振東，華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院講師，博士研究生，主要研究方向：虛擬現(xiàn)實、空間分析、用戶體驗研究。孫楚俏，華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院研究生，主要研究方向：交互媒體設(shè)計、認(rèn)知人因研究（福建 廈門 361021）。艾小群（通訊作者），華僑大學(xué)機電及自動化學(xué)院副教授，主要研究方向：交互媒體設(shè)計、認(rèn)知人因研究。

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目“基于虛擬現(xiàn)實眼動的地鐵裝飾色彩視覺影響機制研究”（JAT170030）；教育部人文社會科學(xué)青年基金“視域、視距、視角：基于3D GIS的泉州古城空間視覺特征提取與認(rèn)知研究”（7YJC760100）；教育部人文社會科學(xué)青年基金“數(shù)字創(chuàng)意視閾下的設(shè)計構(gòu)成知識更新與慕課（MOOC）建設(shè)”（17YJC760001）。

中圖分類號：TP391.98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1398（2018）03-0157-08

一 基于虛擬現(xiàn)實的循證體驗研究

上世紀(jì)80年代，設(shè)計理念從功能主義逐漸被體驗為中心的設(shè)計所替代，設(shè)計更加專注于產(chǎn)品與人之間效率與心理感受Inns T.Designing for the 21st century：interdisciplinary methods and findings. 2010.，而設(shè)計研究不斷在探索人機的交互行為Ludden G D S，Schifferstein H N J，Hekkert P.Beyond Surprise：A Longitudinal Study on the Experience of Visual-Tactual Incongruities in Products. International Journal of Design，2012，6（1），pp.1-10.、情緒影響Nagamachi M.Kansei Engineering in consumer product design.Ergonomics in Design the Quarterly of Human Factors Applications， 2002，10（2） ，pp.5-9.、各感官體驗問題。在這些科研的推動下，當(dāng)前設(shè)計學(xué)已經(jīng)由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計，逐漸向可度量的循證設(shè)計改變，許多研究大量使用定量分析和模型預(yù)測等理性的技術(shù)路徑。如今設(shè)計學(xué)也深受感染，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)熱潮加快推動了循證設(shè)計在設(shè)計學(xué)的進度。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR），如今最常見的定義是20世紀(jì)末才興起的一門綜合性信息技術(shù)，它通過人為的技術(shù)建構(gòu)，通過特定的仿真技術(shù)，以多媒體的形式存儲、重現(xiàn)人類感官體驗，以對特定的空間場所進行模擬Bachimont B.Arts et sciences du numérique：Ingénierie des connaissances et critique de la raison computationnelle.2004.。1993年Heim提出VR的七個特征：模擬性、交互作用、人工現(xiàn)實、沉浸性、遙在、全身沉浸和網(wǎng)絡(luò)通信Heim M H.The Metaphysics of Virtual Reality.Oxford University Press，1994.。1994年，Burdea等出版了《Virtural Reality Technolongy》一書，在書中他們用3I：沉浸性（immersion）、交互性（interaction）、構(gòu)想性（imagination），概括了VR的基本特征Lehto M. A review of：“Virtual Reality Technology” Grigore Burdea and Philippe Coiffet John Wiley & Sons，Inc.，1994.IIE Transactions，1996，28（6）：pp.523-524.。國內(nèi)也有文科學(xué)者從視覺文化的角度，認(rèn)為虛擬現(xiàn)實已成為哲學(xué)的顯學(xué)之一，人工智能學(xué)科、社會學(xué)、藝術(shù)學(xué)都將此命題作為研究重點毛毅靜：《虛擬現(xiàn)實的視覺文化意涵》，《現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育》2013年第1期，第8—13頁.。傳播學(xué)也有學(xué)者對虛擬現(xiàn)實的表征身體傳播的開放性和符號特征形式進行了研究梁國偉、候薇：《虛擬現(xiàn)實：表征身體傳播無限開放性的符號形式》，《現(xiàn)代傳播：中國傳媒大學(xué)學(xué)報》2008年第3期，第17—21頁。。

從技術(shù)層面來說，VR主要應(yīng)用三維仿真、人機交互技術(shù)，使人作為沉浸者對搭建的虛擬環(huán)境體驗與交互，產(chǎn)生臨場感趙沁平、周彬、李甲等：《虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究進展》，《科技導(dǎo)報》2016年第34卷14期，第71—75頁。。目前VR系統(tǒng)可以將各類數(shù)據(jù)的獲取，以及多源數(shù)據(jù)/模型無縫融合，并且能在真三維顯示下，形成自然化人機交互機制實時響應(yīng)。這些優(yōu)勢對于設(shè)計學(xué)的研究，虛擬現(xiàn)實僅僅只是一門新興的仿真技術(shù)；一個新的視覺現(xiàn)象；一種新媒體的設(shè)計樣式嗎？虛擬現(xiàn)實能為設(shè)計研究帶來哪些契機、范式的更新？認(rèn)知人因?qū)W、心理學(xué)理論的交叉介入，虛擬現(xiàn)實實驗為支撐，能給設(shè)計學(xué)研究的帶來哪些全新的課題與方向，無疑，這些值得學(xué)術(shù)界深入探討。

1.虛擬的真實：沉浸體驗的信度問題

應(yīng)用虛擬環(huán)境來做體驗設(shè)計研究，首先需要明確用戶在此環(huán)境下體驗是否是真實反映，與現(xiàn)實環(huán)境下差異有多少，信度高不高。由計算機媒介所構(gòu)筑的數(shù)字化三維模型，是沿襲著傳統(tǒng)的瞬間截取的快照方式，提供的仍然是一種靜態(tài)的視覺體驗。上個世紀(jì)80年代開始，美國科學(xué)家Jaron Lanier將虛擬現(xiàn)實技術(shù)真正實現(xiàn)，組創(chuàng)了美國VPL公司，實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實的商業(yè)化運作。虛擬現(xiàn)實是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，提供給使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，如同進入真實的空間Lanier J.A vintage virtual reality interview.Philosophy，2005，18（1）：pp.17-43.。

1966年Sutherland I. E.等開始研制頭盔式顯示器HMD （Rolland and Cakmakci 2005），但只到2016年，被公認(rèn)為虛擬現(xiàn)實的元年，是因為2014年oculus rift、2015年P(guān)roject Morpheus、2016年HTC VIVE三大頭顯式虛擬現(xiàn)實設(shè)備的廣泛普及化應(yīng)用。三大設(shè)備都是采用第一人稱視角的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，畫面運動的支點是被試的眼睛，被試視線的移動如同在真實場景中一樣，這種空間上讓人產(chǎn)生強烈的認(rèn)同感。從其產(chǎn)品的商業(yè)運作的成功，已經(jīng)能說明強大沉浸感與擬真度。

在虛擬場景中，人的移動與系統(tǒng)交互行為主要依靠手柄完成。心理學(xué)家Riecke等人使用虛擬現(xiàn)實的方法研究表明，虛擬現(xiàn)實的真實感可以在真實的移動與虛擬的移動之間建立直接的聯(lián)系，產(chǎn)生同樣的生理、心理反饋。人們可以通過視覺引導(dǎo)，就可以完成在空間中的行走、位移、信息確認(rèn)等任務(wù)Riecke， Bernhard E，Veen V，et al.Visual homing is possible without landmarks：a path integration study in virtual reality. Presence，2002，11（5）， pp.443-473.。沉浸式虛擬現(xiàn)實是360度無死角的全息環(huán)境，1993 年Beer的研究顯示，人們可以在虛擬環(huán)境中對物體之間的空間關(guān)系不斷地進行認(rèn)知加工。包括空間定向、定位、軌跡追蹤、深度認(rèn)知、表象轉(zhuǎn)換等高級空間認(rèn)知加工過程Péruch P，Gaunet F.Virtual environments as a promising tool for investigating human spatial cognition. Cahiers De Psychologie Cognitive，1998，17（4）， pp.881-899.。

在虛擬環(huán)境下，執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的交互效率與行為模式會怎樣？設(shè)計學(xué)的學(xué)者也就此設(shè)計了實驗。Vincent Rieuf和Carole Bouchard將沉浸式虛擬環(huán)境下與傳統(tǒng)實景下的作業(yè)的效率、滿意度、體驗感受等做了對比測試，將用戶在兩種環(huán)境下進行一系列的概念設(shè)計的任務(wù)（草圖繪制、概念設(shè)計等），結(jié)果發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境下沒有影響其工作成效，在某些環(huán)節(jié)體驗還更好。這是一個目標(biāo)任務(wù)的測試，實驗表明沉浸式虛擬環(huán)境下人的行為、感受、思維與真實環(huán)境無異Rieuf V，Bouchard C，Aoussat A.Immersive moodboards，a comparative study of industrial design inspiration material. Journal of Design Research，2015，13（1），pp.78-106.。因此，虛擬現(xiàn)實媒介是可以通過數(shù)據(jù)流營造一個信度高的體驗環(huán)境，為研究提供了可量化的平臺。

2.虛擬現(xiàn)實循證設(shè)計的應(yīng)用范疇

在不斷加快的信息化進程中，虛擬現(xiàn)實所搭建的虛擬空間，早已超越了輔助設(shè)計工具的范圍，成為研究范式中的一個利器。其作用可以關(guān)注人的認(rèn)知過程，如感知、記憶、推理和響應(yīng)等過程。力圖將非理性的感性意象信息加以量化，服務(wù)于對人機系統(tǒng)的設(shè)計、評估、優(yōu)化以及規(guī)范定制，此類大量的研究都是基于虛擬現(xiàn)實。這些研究內(nèi)容正是設(shè)計學(xué)所關(guān)注的痛點，“工欲善其事，必先利其器”，研究者還需深知利器之利弊，利器之用途，才能為學(xué)所用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)所搭建的場景，在認(rèn)知人因?qū)W的引導(dǎo)下，不斷探索循證設(shè)計，已經(jīng)不是一個單純的復(fù)制現(xiàn)實的環(huán)境，而是能夠?qū)⒃O(shè)計中的體驗問題放在一種三維可視化的綜合、量化、理性的分析并進行度量研究的平臺Fuchs，P.，G.Moreau and A.Berthoz.“Le traité de la réalité virtuelle volume 1：LHomme et lenvironnement virtuel.” In.2006.。這個平臺是具有數(shù)據(jù)采集更精確，數(shù)據(jù)信息更豐富，分析更理性，知識挖掘更客觀，驗證體系更完善，成果應(yīng)用更可持續(xù)的特點的科學(xué)實驗定量研究。建立的是一套可供評估、推演、驗證和預(yù)測、證偽的數(shù)理化邏輯系統(tǒng)?？捎糜谠O(shè)計初期的概念、解決方案預(yù)測；也可在設(shè)計中期，將產(chǎn)品中體驗度量的數(shù)據(jù)化[美]湯姆·圖麗斯、比爾·艾博特：《用戶體驗度量：收集、分析與呈現(xiàn)》，周榮剛、秦憲剛譯，北京：電子工業(yè)出版社，2016年。，探索理解不同人群的多維度的視覺、心理、行為特征；也可以在設(shè)計后期從量化的數(shù)據(jù)中對設(shè)計進行評估，為迭代設(shè)計提出完善方案，并可形成行業(yè)共享的相關(guān)設(shè)計信息Tovey M，Porter S，Newman R.Sketching，concept development and automotive design.Design Studies，2003，24（2），pp.135-153.，減少用戶與整個設(shè)計群體之間的認(rèn)知摩擦 [美]庫珀等：《軟件觀念革命：交互設(shè)計精髓》，詹劍鋒、張知非譯，北京：電子工業(yè)出版社， 2005年。，是設(shè)計學(xué)研究的趨勢所在。

二 多維度的體驗感知人因仿真綜合分析

在虛擬空間中，研究人的認(rèn)知，還須借助外界設(shè)備與技術(shù)手段才能實現(xiàn)，目前常用的的實驗體驗途徑：頭盔顯示器+體感數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)。體感采集與記錄設(shè)備常用的有：眼動儀、近紅外、腦電波、動作捕捉、肌電、皮電、心電等。從認(rèn)知學(xué)的角度來說，感知可分為“感覺”與“知覺”兩部分，感官接受刺激信息，叫做“感”，從信息傳到大腦認(rèn)知形成意識稱為“知”。上述的這些儀器可以獲取用戶體驗中的視知覺、聽覺、腦部活動、行為模式等的感知數(shù)據(jù)，做單項或綜合的觀察與描述性統(tǒng)計，從而發(fā)現(xiàn)潛意識的需求。因此，虛擬現(xiàn)實為設(shè)計師搭建了全新的多維度感知人因綜合分析平臺。（圖1）

通過上述的外置儀器，虛擬環(huán)境下可以將用戶的感知過程中的動態(tài)生理信息進行同步實時采集。目前設(shè)計學(xué)研究用的最成熟的就是虛擬眼動數(shù)據(jù)，即頭顯式虛擬現(xiàn)實內(nèi)置眼動儀，人們?nèi)粘Ｉ钪屑s有80%—90%的信息來源視覺，50%的腦神經(jīng)細(xì)胞與視覺相連，信息的視覺體驗可以充分利用人類的視覺潛能和腦功能。因此，視覺感受是人們接受信息和認(rèn)知世界的重要途徑。常用儀器比如，Tobii的眼動系統(tǒng)，通過采集人機交互過程中用戶的視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來洞察用戶的視覺認(rèn)知，分析人機之間的交互關(guān)系。主要有三大類數(shù)據(jù)，第一，熱點圖：能夠分析用戶在注視內(nèi)容上的集中趨勢與停留時間。第二，視線掃描路徑：能夠呈現(xiàn)注視點的移動路徑變化，用于分析用戶觀看時眼動行為。第三，興趣區(qū)：測定特定元素、特定區(qū)域內(nèi)的視覺注意力。分析停留時間、注視點數(shù)量、注視時間、瀏覽順序、首次注視所需要的時間、重訪次數(shù)、命中率這些指標(biāo)，獲得特定區(qū)域上的具體數(shù)據(jù)[美]珍妮弗·羅馬諾·伯格斯托姆、安德魯·喬納森·沙爾：《眼動追蹤：用戶體驗設(shè)計利器》，宮鑫、康寧、楊志芳譯，北京：電子工業(yè)出版社， 2015年.。

其次，虛擬現(xiàn)實也常與近紅外、腦電波配合，通過對信息認(rèn)知加工的大腦皮層活動的測量，來評估用戶在人機交互過程中的情緒、注意力、記憶等問題。還有生理多導(dǎo)，肌電、皮電、心電等技術(shù)。肌電是神經(jīng)、肌肉刺激下發(fā)放生物電的結(jié)果。通過人機交互過程中，采集肌肉活動時相關(guān)的肌電信息，常用于研究揭示肌肉活動的規(guī)律。皮膚、心率的傳導(dǎo)性也與人機交互情緒特征的加工有緊密聯(lián)系。比如圖片、視頻、動作這些產(chǎn)品設(shè)計的刺激物，可以作為喚起交感神經(jīng)系統(tǒng)的活動，或者使心率快慢變化，血管收縮、擴張，皮膚汗腺變化等，讓研究者測試用戶的情緒。

還有行為操作分析，可以對設(shè)計中的人機（系統(tǒng)）功能分配；任務(wù)完成情況：時長、操作、交互等分析；用戶需求分析；人機負(fù)荷評估中提取刻畫人的行為或狀態(tài)的特征原語等。解釋設(shè)計現(xiàn)象或產(chǎn)品中各種元素之間的關(guān)系，通過數(shù)據(jù)并分析其心理、生理反映，挖掘人的深層次的交互感知體驗。

三 VR眼動人因方法下的主題地鐵空間設(shè)計評估

以成都、廣州兩個城市的主題地鐵作為典型性案例，廈門標(biāo)準(zhǔn)地鐵為參考對象，建立三維仿真可交互的虛擬場景。依據(jù)視覺注意力原理，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實內(nèi)置眼動設(shè)備設(shè)計實驗。以此解析對同一位置不同主題設(shè)施設(shè)計的對比分析，和同一主題不同位置空間界面設(shè)計的對比分析，提出當(dāng)下主題地鐵設(shè)計的優(yōu)化策略，提升設(shè)計的可用性。

1.設(shè)計案例調(diào)研與樣本選取

本項目通過對全國24個城市的主題地鐵設(shè)計的收集，69個主題選取兩個具有代表性的實驗樣本，分別為：成都3號線主題地鐵：提取具有成都地域性文化的熊貓為設(shè)計元素，將熊貓造型融入到座椅、把手、側(cè)墻的外觀設(shè)計中形成立體造型。廣州主題地鐵：以廣州6號線主題地鐵為參考樣本，以卡通元素為主的主題地鐵。廈門1號線標(biāo)準(zhǔn)地鐵：目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)地鐵多是此種無主題的模式。如圖2所示。

2.實驗過程

本實驗共有被試者30人，年齡在18—35歲之間，為保證所有被試者的認(rèn)知水平相同，被試者皆無虛擬現(xiàn)實體驗經(jīng)歷，所有人均有坐過地鐵的經(jīng)歷。被試的裸眼視力或矯正視力均為正常，無色盲。被試者置身于虛擬場景中進行120 s隨意觀察漫游的視覺活動。

首先將地鐵內(nèi)部空間進行興趣區(qū)的劃分。由圖3可知，地鐵車廂內(nèi)部按空間區(qū)域和功能設(shè)施可劃分成六個色彩不同的興趣區(qū)（AIO）為：頂面、側(cè)墻、端墻、地面、把手、座椅。所有在這六個興趣區(qū)內(nèi)的首次注視時間、停留時間都將被記錄，利用spss軟件對眼動數(shù)據(jù)進行均值、方差統(tǒng)計分析，評估車廂內(nèi)部設(shè)計。

3.實驗結(jié)果分析

1）不同主題的設(shè)施設(shè)計的對比分析

不同的主題地鐵在同一位置不同的設(shè)施設(shè)計手法，如圖4。 并對采集這些設(shè)施的眼動數(shù)據(jù)加以分析，如表1。

通過上述分析得出，對于主題地鐵設(shè)施設(shè)計的方法可分為兩種：1.可采用與周圍環(huán)境形成色彩對比的設(shè)計；2.可采用立體造型設(shè)計。兩者各有利弊，設(shè)計策略如表2所示。

2）主題空間界面設(shè)計的對比分析

地鐵車廂空間界面可分為：頂面、地面、兩邊側(cè)墻和端墻四個位置，是乘客視覺接觸面積最大的，需要滿足功能技術(shù)與空間審美層次的雙重要求。實驗以廣州、成都主題地鐵對比分析，探討同一主題不同位置墻面設(shè)計對用戶的視覺停留及關(guān)注度的影響分?？偨Y(jié)出地鐵內(nèi)部不同位置的設(shè)計特點。

首先對停留時間眼動數(shù)據(jù)進行方差分析。位置*主題的顯著性Sig=0.027<0.05，具有顯著性差異，說明裝飾位置和主題設(shè)計具有交互作用，裝飾位置的用戶眼動停留時間隨主題的不同而不同。顯著性Sig=0<0.05，具有顯著差異，說明各位置的數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。為進一步分析，采用描述性統(tǒng)計對數(shù)據(jù)進行處理，將同一主題不同位置的眼動數(shù)據(jù)進行優(yōu)先排序，結(jié)果如表3所示：

通過描述性分析發(fā)現(xiàn)，用戶進入車廂后，對不同位置會進行不同程度的信息加工。對比排序前三的位置發(fā)現(xiàn)，用戶注視停留的區(qū)域雖有所不同，但存在著一種共性。在所有興趣區(qū)中，被試不論在何種類型的地鐵車廂內(nèi)，都會在地面和側(cè)墻這兩個位置進行觀察，符合人在地鐵中的行為模式，也是設(shè)計中應(yīng)注意的重點位置。設(shè)計策略如表4。

四 結(jié) 論

我們以循證設(shè)計為主導(dǎo)思想，分析基于虛擬現(xiàn)實的的特征和應(yīng)用范疇，并基于VR眼動人因方法以成都、廣州兩個城市的主題地鐵作為典型性案例，廈門標(biāo)準(zhǔn)地鐵為參考對象，對這三個地區(qū)主題地鐵的空間設(shè)計進行了評估實驗。探索了以虛擬現(xiàn)實眼動研究的量化評估流程，最后得出硬件設(shè)施與空間界面設(shè)計的設(shè)計優(yōu)化策略。驗證了虛擬現(xiàn)實眼動實驗更加完善與系統(tǒng)地研究人機之間的交互關(guān)系。

當(dāng)下設(shè)計學(xué)的體驗設(shè)計都在尋求建立一種更可靠， 更科學(xué)的學(xué)科知識體系，以提高設(shè)計決策的可信度。信息化技術(shù)的發(fā)展，頭顯式虛擬現(xiàn)實的問世，及與各類心理生理測量實驗的配合，搭建基于虛擬現(xiàn)實的多維度的人因綜合分析平臺，打開了人們認(rèn)知和情緒的黑匣子，將成為設(shè)計研究的新范式。

Abstract： Virtual reality is a research paradigm， which quantifies and evidences the information of irrational perceptual imagebased on the cognitive theory of human factors and supported by information simulation technique. This article analyzes its research properties and further elaborates the important features of virtual reality for designing research： the effectiveness of comprehensive analysis platform in the multi-dimensional experience-sensing human factors. And with the method of eye-movement and linkage experiment in virtual reality to analyze the theme of subway space design and design strategy， it discusses how to apply intelligent techneques to research human motivation and behaviors， and potential needs， which is beneficial to build a design research system centering on human cognition and re-understand the research value of immersive virtual reality for design science.

Keywords： virtual reality； evidence； perception of human factors； design practice

【責(zé)任編輯 陳雷】