航天員艙內(nèi)虛擬訓(xùn)練體驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究

孔祥杰，劉玉慶，安 明，劉 相，胡福超，張 喆

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094)

1 引言

體驗(yàn)質(zhì)量是指用戶對(duì)于系統(tǒng)或應(yīng)用喜歡或者厭惡的程度，取決于應(yīng)用或服務(wù)實(shí)現(xiàn)用戶期望的程度，并受到用戶個(gè)性和當(dāng)前狀態(tài)的影響。體驗(yàn)質(zhì)量受到系統(tǒng)因素、環(huán)境因素和用戶因素3個(gè)方面因素的綜合影響[1]。

目前，體驗(yàn)質(zhì)量的研究主要在音頻、視頻等領(lǐng)域，且已經(jīng)建立了一些評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)或框架，如ITU-T提出的PSQM[2]和PESQ[3]方法；ITU-R提出的DSCQS[4]方法，思科及IneoQuest技術(shù)公司提出的MDI指標(biāo)[5]。在立體圖像、視頻體驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，齊峰等從雙眼感知一致性特征來(lái)展開(kāi)對(duì)體驗(yàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià)[6]；Kazuhisa等通過(guò)視頻質(zhì)量、深度質(zhì)量、不適和疲勞等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)3D視頻的體驗(yàn)質(zhì)量[7]。關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這種新媒體的體驗(yàn)質(zhì)量，已經(jīng)有了少量的研究，以主觀評(píng)價(jià)為主要手段[8-9]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各國(guó)航天員訓(xùn)練之中，為了滿足航天員在多艙段空間站內(nèi)導(dǎo)航訓(xùn)練和操作訓(xùn)練任務(wù)不斷多樣化的需求，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心也開(kāi)發(fā)了一套虛擬現(xiàn)實(shí)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)[10]，為航天員的訓(xùn)練帶來(lái)了新的體驗(yàn)和超越傳統(tǒng)地面模擬設(shè)備的可能性。但是，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員往往只關(guān)注系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，而忽略了用戶的使用感受。本文以體驗(yàn)質(zhì)量為目標(biāo)，從用戶的角度對(duì)航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)展開(kāi)主觀評(píng)價(jià)，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的影響體驗(yàn)質(zhì)量的問(wèn)題。

2 體驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系

用戶體驗(yàn)質(zhì)量強(qiáng)調(diào)對(duì)用戶體驗(yàn)?zāi)稠?xiàng)產(chǎn)品結(jié)果的關(guān)注，為了充分和全面地了解用戶在使用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)過(guò)程中的實(shí)際感受和滿意程度，從而給出系統(tǒng)優(yōu)化的合理化建議，需要建立全面合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.1 評(píng)價(jià)策略

本文首先制定體驗(yàn)質(zhì)量的評(píng)價(jià)策略，然后在這些策略的指導(dǎo)下，完成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)。本文將策略歸納為三點(diǎn)：關(guān)注用戶需求、強(qiáng)化系統(tǒng)特性和重視情感體驗(yàn)。

關(guān)注用戶需求是指用戶對(duì)產(chǎn)品的需求是一個(gè)由工具實(shí)體向精神追求的拓展、由物質(zhì)到精神的過(guò)程，對(duì)于不同的系統(tǒng)，用戶的需求可能是實(shí)用性，或者享樂(lè)性，在制定評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)該區(qū)別對(duì)待；強(qiáng)化系統(tǒng)特性則是指評(píng)價(jià)指標(biāo)要重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)本身的特異性，在評(píng)價(jià)過(guò)程中重點(diǎn)圍繞實(shí)現(xiàn)用戶需求設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，弱化和用戶需求關(guān)聯(lián)弱的系統(tǒng)特性。最后一個(gè)策略是重視情感體驗(yàn)，在產(chǎn)品功能滿足用戶需求的情況下，操作是否直觀易學(xué)、人機(jī)界面是否易于理解等都會(huì)影響用戶的情感體驗(yàn)，充分重視細(xì)節(jié)和人文關(guān)懷能夠帶給用戶強(qiáng)烈的情感認(rèn)同，在很大程度上影響體驗(yàn)質(zhì)量[11-12]。

這三個(gè)策略重點(diǎn)考慮了系統(tǒng)和用戶這兩個(gè)體驗(yàn)質(zhì)量的影響因素，而對(duì)于特定的應(yīng)用系統(tǒng)和用戶，其使用環(huán)境在很大程度上也就被確定了下來(lái)，所以基于這三個(gè)策略設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠保證指標(biāo)的科學(xué)性和完備性。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與問(wèn)卷

本文結(jié)合虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特征和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用體驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)策略，設(shè)計(jì)了航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)體驗(yàn)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括任務(wù)負(fù)荷、界面可用性、臨場(chǎng)感、副作用和有用性5個(gè)指標(biāo)，如圖1。針對(duì)每一個(gè)指標(biāo)，采用一套問(wèn)卷來(lái)給出評(píng)價(jià)，為了使結(jié)果更加可靠，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)卷或者根據(jù)實(shí)際情況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)卷做出修訂，并保證修訂后問(wèn)卷的信度。各指標(biāo)的設(shè)計(jì)依據(jù)和參數(shù)獲取方法如下：

任務(wù)負(fù)荷：任務(wù)負(fù)荷是基于用戶需求和系統(tǒng)特性設(shè)計(jì)的指標(biāo)。從用戶角度來(lái)說(shuō)，用戶希望以盡量輕松的方式完成訓(xùn)練任務(wù)并掌握相關(guān)技能；而從系統(tǒng)角度來(lái)說(shuō)，作為一套輔助技能獲取的系統(tǒng)，必須要設(shè)定合理的訓(xùn)練方法和任務(wù)難度。對(duì)于相同的任務(wù)，不同的訓(xùn)練方法可能導(dǎo)致明顯的績(jī)效差異[13]，而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，這就意味著不同的任務(wù)負(fù)荷，所以需要對(duì)任務(wù)負(fù)荷進(jìn)行評(píng)估；任務(wù)負(fù)荷采用NASA-TLX量表[14]進(jìn)行評(píng)估，該量表由腦力需求、體力需求、時(shí)間需求、業(yè)績(jī)水平、努力程度、受挫程度6個(gè)維度構(gòu)成，每個(gè)維度均為100分，受試者通過(guò)在數(shù)軸上做標(biāo)記來(lái)打分，各維度的權(quán)重基于受試者對(duì)這些維度的重要性兩兩比較的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，本文使用了Sharek開(kāi)發(fā)的一套可以在線評(píng)分的NASA-TLX應(yīng)用[15]。

界面可用性：可用性指系統(tǒng)在易學(xué)、易用和界面信息等方面的屬性，是用戶對(duì)系統(tǒng)的基本需求。界面可用性采用基于整體評(píng)估可用性問(wèn)卷(Post-study System Usability Questionnaire，PSSUQ)問(wèn)卷第3版[16]修訂而來(lái)問(wèn)卷進(jìn)行測(cè)量，PSSUQ信息簡(jiǎn)明，分?jǐn)?shù)計(jì)算方便，該問(wèn)卷為7點(diǎn)制量表，包含16個(gè)項(xiàng)目，分為3個(gè)子量表：系統(tǒng)質(zhì)量、信息質(zhì)量和界面質(zhì)量，3個(gè)分量表信度分別為0.9，0.91和0.83，整體問(wèn)卷信度為0.94。根據(jù)Lewis的研究，完整的和不完整的PSSUQ問(wèn)卷均值差異很小[17]，對(duì)于其3個(gè)子量表，問(wèn)卷結(jié)果的完整性既沒(méi)有顯著的主效應(yīng)，也沒(méi)有顯著的交互效應(yīng)，也就是說(shuō)，只采用原問(wèn)卷中的部分問(wèn)題，對(duì)最終結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。因此，本文刪除了原問(wèn)卷中對(duì)航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)意義不大的題項(xiàng)，并增加了一項(xiàng)系統(tǒng)信息一致性的問(wèn)題(Q6)，最終形成了一份包含10個(gè)問(wèn)題的界面可用性問(wèn)卷，為了和其它問(wèn)卷保持一致，將原問(wèn)卷修改為5點(diǎn)量表，1到5分代表從完全不同意到完全同意。采用Cronbach′s Alpha系數(shù)法對(duì)修訂問(wèn)卷進(jìn)行信度測(cè)量，問(wèn)卷整體信度α＝0.85，Landauer的研究指出，問(wèn)卷測(cè)量信度在0.7～0.8是可接受的[18]，可見(jiàn)修訂后的問(wèn)卷仍然保持較高的信度。修訂后的問(wèn)卷，仍然包括系統(tǒng)質(zhì)量、信息質(zhì)量和交互界面質(zhì)量3個(gè)子量表，各子量表分值為該量表各項(xiàng)評(píng)分的算術(shù)平均值，界面可用性分值為1～10題得分的算術(shù)平均值。

臨場(chǎng)感：臨場(chǎng)感是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最重要的特征之一，臨場(chǎng)感一方面可以評(píng)價(jià)虛擬表現(xiàn)水平，另一方面，良好的臨場(chǎng)感意味著受訓(xùn)者感覺(jué)自己置身于系統(tǒng)構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，那么用戶在實(shí)際任務(wù)中的表現(xiàn)將會(huì)更好[19]。臨場(chǎng)感問(wèn)卷基于PQ問(wèn)卷[20]修訂而來(lái)，原問(wèn)卷包含32項(xiàng)問(wèn)題，Witmer等在論文中指出，其中3項(xiàng)有降低問(wèn)卷信度的趨勢(shì)而被棄用，結(jié)合航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)特異性，進(jìn)一步對(duì)問(wèn)卷項(xiàng)目做了篩選，最終，臨場(chǎng)感問(wèn)卷包括22項(xiàng)問(wèn)題。采用Cronbach′s Alpha系數(shù)法測(cè)量修訂后問(wèn)卷信度為0.905，可見(jiàn)修訂后問(wèn)卷可靠性較高。根據(jù)Witmer等人的研究，PQ問(wèn)卷因子結(jié)構(gòu)包括4個(gè)因子：參與感、適應(yīng)性、感官逼真度和虛擬界面質(zhì)量，取各因子對(duì)應(yīng)問(wèn)題的算術(shù)均值作為該因子得分，所有問(wèn)題均值作為臨場(chǎng)感評(píng)分(PQ)。

有用性：有用性問(wèn)卷共包含6個(gè)問(wèn)題，可以歸結(jié)為實(shí)用性和享樂(lè)2個(gè)方面，有用性分值為各題得分的算術(shù)平均值。其中實(shí)用性是受訓(xùn)者最基本也是最重要的需求，愉悅感則可視為是對(duì)用戶情感體驗(yàn)的評(píng)價(jià)。有用性問(wèn)卷基于航天員訓(xùn)練實(shí)際需求設(shè)計(jì)，考察虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)用性和用戶使用過(guò)程中的愉悅感。采用Cronbach′s Alpha系數(shù)法測(cè)量本問(wèn)卷信度為0.809，可見(jiàn)問(wèn)卷可靠性較高。

副作用：根據(jù)Stanney和Kennedy的總結(jié)研究，基于頭盔式顯示器生成的虛擬環(huán)境下，80%～95%的受試者會(huì)出現(xiàn)不同程度的生理不適感，可見(jiàn)副作用是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)普遍性問(wèn)題。副作用對(duì)用戶的體驗(yàn)影響巨大，在評(píng)價(jià)過(guò)程中必須考慮到。本文使用模擬機(jī)疾病調(diào)查(Simulator Sickness Questionnaire，SSQ)問(wèn)卷評(píng)價(jià)虛擬環(huán)境下受試者的生理不適[21]。原量表為4點(diǎn)量表，評(píng)分為0～3分，包含疲勞、惡心、暈眩等16個(gè)可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)癥狀。為了和本次試驗(yàn)其它量表一致，這里修改評(píng)分為1～5分，分別表示沒(méi)有、輕微、中度、明顯和嚴(yán)重。另外，根據(jù) Kennedy等人的研究[22]，SSQ量表可以進(jìn)一步歸結(jié)為3個(gè)子量表，分別是惡心、動(dòng)眼神經(jīng)紊亂和失方向，并給出了計(jì)算SSQ分值及子量表的方法、各子量表評(píng)分為與之最相關(guān)各項(xiàng)評(píng)分的加權(quán)和，SSQ總分為3個(gè)子量表得分的總和，SSQ總分越高，代表不適感越強(qiáng)烈。本文基于Kennedy等人的方法處理SSQ問(wèn)卷，且SSQ問(wèn)卷須在試驗(yàn)前后分別填寫(xiě)。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 受試者

試驗(yàn)共招募志愿者26名，男性，年齡22到30歲(平均年齡24.85，標(biāo)準(zhǔn)差1.87)，全部為大學(xué)在讀研究生或本單位科研人員，受試者要求視力正?；虺C正后視力正常，身體健康，在試驗(yàn)前保持良好的精神狀態(tài)。全部受試者均為第一次體驗(yàn)航天員虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)，并在試驗(yàn)開(kāi)始前簽署試驗(yàn)知情同意書(shū)，告知受試者本次試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估而不是對(duì)用戶的評(píng)估。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為了全面地評(píng)價(jià)虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)的體驗(yàn)質(zhì)量，需要安排受試者盡可能全方位地體驗(yàn)和使用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，為此，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)典型的試驗(yàn)任務(wù)：空間站內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)和用于交互操作流程訓(xùn)練的質(zhì)量測(cè)量?jī)x裝配任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都包括練習(xí)和考核兩種模式。

3.2.1 空間站內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)

虛擬空間站在結(jié)構(gòu)上包含11個(gè)艙段，三維立體結(jié)構(gòu)，外部結(jié)構(gòu)如圖2，且搭建了逼真的艙內(nèi)虛擬環(huán)境，如圖3。空間站內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)是控制虛擬航天員從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的過(guò)程，旨在讓航天員體驗(yàn)空間站中任意視覺(jué)垂向下的導(dǎo)航過(guò)程。在虛擬空間站內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)虛擬人，受訓(xùn)者通過(guò)頭盔顯示器獲得該虛擬人的視野，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)頭部可以觀察虛擬空間站內(nèi)部環(huán)境。同時(shí)受訓(xùn)者通過(guò)三維鼠標(biāo)控制虛擬人在虛擬空間站內(nèi)完成從起始艙到目標(biāo)艙的訓(xùn)練任務(wù)，在此過(guò)程中，需要受訓(xùn)者熟悉路徑上各艙段內(nèi)部環(huán)境和布局，形成僅依靠視覺(jué)線索定位定向的能力。在練習(xí)模式下，可見(jiàn)一條藍(lán)色導(dǎo)航線連接起點(diǎn)艙和目標(biāo)艙，指引受訓(xùn)者，同時(shí)任務(wù)欄實(shí)時(shí)顯示受訓(xùn)者當(dāng)前所在艙段名稱。在考核模式下，用戶控制的虛擬人被隨機(jī)置于任意艙段，任務(wù)欄僅顯示目標(biāo)艙名稱，受訓(xùn)者首先定位自身所在艙段，然后根據(jù)空間站結(jié)構(gòu)，規(guī)劃路徑，到達(dá)目標(biāo)艙。

圖2 虛擬空間站外部構(gòu)型Fig.2 Structure of the virtual space station

圖3 艙內(nèi)虛擬環(huán)境Fig.3 Scenes in the module

3.2.2 質(zhì)量測(cè)量?jī)x裝配任務(wù)

裝配任務(wù)是為了訓(xùn)練航天員對(duì)于裝配流程和各組件配合關(guān)系的記憶。在裝配任務(wù)過(guò)程中，受訓(xùn)者可以訓(xùn)練區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，艙內(nèi)虛擬人通過(guò)位置跟蹤獲得和受訓(xùn)者一致的運(yùn)動(dòng)，受訓(xùn)者使用手柄操作虛擬環(huán)境中的物品并將其“安裝”在相應(yīng)位置上。在練習(xí)模式下，系統(tǒng)提示受訓(xùn)者每一步應(yīng)該操作的組件和該組件的安裝位置，受訓(xùn)者在系統(tǒng)提示下完成裝配；在考核模式下，受訓(xùn)者則根據(jù)記憶，按照練習(xí)的步驟，在沒(méi)有提示的情況下完成裝配，同時(shí)如果受訓(xùn)者不能完成，則可以通過(guò)菜單選擇提示，系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的提示。質(zhì)量測(cè)量?jī)x裝配練習(xí)場(chǎng)景如圖4，虛擬環(huán)境中試驗(yàn)臺(tái)上的物體為待裝配的組件，左側(cè)半透明模型為相應(yīng)組件待裝配位置的提示，不透明模型為已安裝組件。

圖4 裝配任務(wù)場(chǎng)景Fig.4 Assembly scene

3.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程分為4個(gè)階段：試驗(yàn)準(zhǔn)備、交互操作體驗(yàn)階段、導(dǎo)航任務(wù)階段和試驗(yàn)后數(shù)據(jù)采集。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要告知受試者試驗(yàn)內(nèi)容，向受試者介紹虛擬空間站外部構(gòu)型，進(jìn)行手柄和三維鼠標(biāo)操作培訓(xùn)等，在受試者簽署知情同意書(shū)并填寫(xiě)試驗(yàn)前問(wèn)卷后，幫受試者佩戴頭盔顯示器，然后試驗(yàn)正式開(kāi)始。受試者先完成一次質(zhì)量測(cè)量?jī)x裝配任務(wù)，包括練習(xí)和考核，用時(shí)約10 min，然后開(kāi)始空間站內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)，用時(shí)約30 min。試驗(yàn)結(jié)束后，受試者稍作休息，完成問(wèn)卷數(shù)據(jù)采集，到此試驗(yàn)全部結(jié)束。

3.4 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)在一個(gè)寬敞且安靜的實(shí)驗(yàn)室中展開(kāi)，試驗(yàn)過(guò)程室內(nèi)溫濕度適宜，無(wú)外界噪聲干擾，且受試者有足夠的活動(dòng)空間，能最大程度避免外部環(huán)境干擾造成的沉浸感損失。試驗(yàn)軟硬件平臺(tái)基于HTC VIVE解決方案構(gòu)建，包括用于跟蹤定位的Lighthouse系統(tǒng)、手柄控制器、三維鼠標(biāo)和頭戴顯示器等。該方案定位系統(tǒng)理論定位精度可達(dá)毫米級(jí)，跟蹤效果優(yōu)秀，VIVE頭戴式顯示器提供單眼1080×1200像素分辨率和 90 Hz刷新率、110°視場(chǎng)角，為系統(tǒng)體驗(yàn)質(zhì)量提供了優(yōu)良的基礎(chǔ)。試驗(yàn)過(guò)程中，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行在一臺(tái)裝備有NVIDIA GeForce 1080顯卡的HP Z820圖形工作站上，系統(tǒng)配置超過(guò)VIVE運(yùn)行的建議配置，能夠有效避免平臺(tái)計(jì)算能力不足帶來(lái)的卡頓、丟幀等問(wèn)題，保證了虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)果分析

4.1 任務(wù)負(fù)荷

受試者關(guān)于TLX量表的打分情況如圖5所示。由圖可見(jiàn)，除努力程度略高于50分外，各項(xiàng)評(píng)分均值都低于50分，說(shuō)明本次試驗(yàn)任務(wù)負(fù)荷相對(duì)合理，既沒(méi)有太難以執(zhí)行，也沒(méi)有過(guò)于簡(jiǎn)單。對(duì)于各維度，本次試驗(yàn)任務(wù)主要是艙內(nèi)環(huán)境熟悉和交互操作流程記憶，主要需求為腦力需求，幾乎沒(méi)有體力消耗任務(wù)，但由于受試者在試驗(yàn)過(guò)程中生理不適，體力需求仍然達(dá)到了一定的水平。此外，不論是腦力需求還是體力需求，數(shù)據(jù)散布程度都比較高，說(shuō)明個(gè)體差異較大。對(duì)于腦力需求，個(gè)體空間能力對(duì)環(huán)境熟悉任務(wù)影響較大，空間能力越強(qiáng)的個(gè)體，完成任務(wù)越容易[22]，報(bào)告的腦力需求則更低；對(duì)于體力需求，受試者訪談結(jié)果表明，忍受惡心想吐的不適感消耗較多的體力，對(duì)虛擬環(huán)境耐受性好的個(gè)體，不適感較低，則體力需求評(píng)分很低，而耐受性不好的個(gè)體，則因?yàn)槿淌軓?qiáng)烈的不適而消耗更多的體力。

任務(wù)負(fù)荷評(píng)價(jià)結(jié)果表明，本次試驗(yàn)任務(wù)負(fù)荷設(shè)置合理，這種任務(wù)設(shè)置模式可以作為訓(xùn)練任務(wù)設(shè)置的參考，但應(yīng)該適當(dāng)降低任務(wù)時(shí)長(zhǎng)或在中間安排休息。

圖5 任務(wù)負(fù)荷量表打分情況Fig.5 Scores of the NASA-TLX scale

4.2 界面可用性

界面可用性問(wèn)卷受試者打分情況如表1所示，由表可見(jiàn)，各項(xiàng)目得分均值都不低于3.5，系統(tǒng)質(zhì)量、信息質(zhì)量(包括其相關(guān)各題項(xiàng))以及界面可用性整體評(píng)分均值不低于4分。單樣本t檢驗(yàn)(雙側(cè)，α＝0.05)結(jié)果表明，所有項(xiàng)目評(píng)分顯著高于中位數(shù)3分，95%置信區(qū)間下線也高于3分；系統(tǒng)質(zhì)量、信息質(zhì)量(包括其相關(guān)各題項(xiàng))以及界面可用性整體評(píng)分都顯著高于3.5，95%置信區(qū)間下限也高于3.5分(Q8最低，3.64)。由此，可以認(rèn)為在界面可用性方面，系統(tǒng)達(dá)到了良好的水平，特別是在系統(tǒng)質(zhì)量和信息質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面表現(xiàn)優(yōu)秀。

另外，界面質(zhì)量(包括其相關(guān)各題項(xiàng))評(píng)分相對(duì)較低，受試者訪談的結(jié)果表明，該題評(píng)分低的原因有2個(gè)方面：一是三維鼠標(biāo)各自由度間的耦合導(dǎo)致虛擬人運(yùn)動(dòng)控制不能完全符合預(yù)期；二是模型精度和頭盔分辨率不夠高導(dǎo)致的視覺(jué)顯示質(zhì)量不夠高、存在像素感等，這2個(gè)方面應(yīng)該作為系統(tǒng)界面可用性改進(jìn)的主要方向。

4.3 臨場(chǎng)感

臨場(chǎng)感問(wèn)卷得分情況如表2，由表可見(jiàn)，4個(gè)因子和臨場(chǎng)感總分平均值都大于3.5，單樣本t檢驗(yàn)(雙側(cè)，α＝0.05)結(jié)果表明，除界面質(zhì)量外，其余各項(xiàng)均具有顯著性。值得注意的是，感官逼真度平均評(píng)分達(dá)到了4.365，說(shuō)明系統(tǒng)擁有優(yōu)秀的虛擬表現(xiàn)水平，能夠提供給用戶逼真的虛擬環(huán)境。

從臨場(chǎng)感問(wèn)卷評(píng)分情況來(lái)看，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠在視覺(jué)上提供給用戶逼真的虛擬環(huán)境，給用戶身臨其境的感覺(jué)。其中，感官逼真度和適應(yīng)性評(píng)分較高，說(shuō)明系統(tǒng)場(chǎng)景渲染逼真，用戶可以輕易地適應(yīng)虛擬環(huán)境；而界面質(zhì)量和參與感評(píng)分相對(duì)較低，說(shuō)明交互設(shè)備滿足用戶需求的程度不高，用戶需要分散更多的注意力在交互設(shè)備的使用上，從而降低了用戶的沉浸感和參與感。用戶訪談結(jié)果表明，交互設(shè)備使用不夠自然和精確以及控制延時(shí)這些問(wèn)題干擾了試驗(yàn)任務(wù)，是降低用戶臨場(chǎng)感的重要原因，可以考慮開(kāi)發(fā)更加自然的交互方式以提升用戶的臨場(chǎng)感。

4.4 有用性

有用性問(wèn)卷打分情況如表3，單樣本t檢驗(yàn)(雙側(cè)，α＝0.05)結(jié)果表明，實(shí)用性評(píng)分顯著高于3.5分，可見(jiàn)系統(tǒng)在實(shí)用性方面得到了受試者高度的認(rèn)可。而在享樂(lè)性方面，整體評(píng)價(jià)均值為2.96，小于中位數(shù)3分。其中，12名受試者給出了中立評(píng)價(jià)，8名受試者給出了負(fù)面評(píng)價(jià)，只有6名受試者給出了正面評(píng)價(jià)，給出中立或負(fù)面評(píng)價(jià)的受試者占總?cè)藬?shù)的76.9%，說(shuō)明系統(tǒng)顯示使用系統(tǒng)存在降低用戶精神愉悅度的風(fēng)險(xiǎn)，且具有一定的普遍性。通過(guò)受試者訪談得知，系統(tǒng)降低用戶精神愉悅度的原因是環(huán)境熟悉試驗(yàn)引起的惡心、暈眩等生理不適。

有用性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，一方面，用戶主觀感知虛擬訓(xùn)練有實(shí)際效用，另一方面，虛擬環(huán)境帶來(lái)的不適感降低用戶精神愉悅感，雖然可以通過(guò)減少用戶暴露在虛擬環(huán)境下的時(shí)間來(lái)降低不適感，但顯然必要的訓(xùn)練時(shí)間是掌握技能的基礎(chǔ)，訓(xùn)練時(shí)間不能太短。

圖6為受試者在裝配任務(wù)中練習(xí)和考核所用的時(shí)間，配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果顯示練習(xí)模式和考核模式用時(shí)差異顯著(雙側(cè)，α＝0.05，sig＝0.022)，可見(jiàn)在裝配任務(wù)中，受試者在考核模式下用時(shí)顯著減少，說(shuō)明受試者熟練程度提高，證實(shí)了受試者的主觀感知，即虛擬訓(xùn)練確實(shí)有一定的實(shí)際效用。

圖6 裝配任務(wù)完成時(shí)間Fig.6 Time used for assembly

4.5 副作用

副作用問(wèn)卷受試者打分情況如圖7所示。由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)后總體不適、惡心和想吐3項(xiàng)的平均評(píng)分超過(guò)了3分，達(dá)到了中度不適甚至更高，說(shuō)明這3項(xiàng)癥狀變化最為顯著。采用配對(duì)t檢驗(yàn)(雙側(cè)，α＝0.05)對(duì)評(píng)分變化的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)癥狀均變化顯著(P＜0.01)。此外，由圖可見(jiàn)頭疼、眼睛疲勞、聚焦困難、唾液分泌增加、出汗、注意力難以集中、視覺(jué)模糊、目眩和打嗝等項(xiàng)，數(shù)據(jù)散布程度很高，說(shuō)明虛擬環(huán)境下生理不適個(gè)體差異非常明顯。

圖7 試驗(yàn)前后SSQ評(píng)分情況Fig.7 Scores of the SSQ before and after experiment

SSQ三個(gè)子量表的評(píng)分和SSQ總體不適感評(píng)分如圖8所示。由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)后受試者在惡心(N)、動(dòng)眼神經(jīng)紊亂(O)和失方向(D)三個(gè)方面均感受到了強(qiáng)烈的不適。試驗(yàn)前三個(gè)子量表得分情況為O＞D＞N，試驗(yàn)后則變?yōu)镹＞D＞O，這一結(jié)果與Kennedy等人在1997年的研究結(jié)果一致：“太空病的特征是大量惡心和失方向，但動(dòng)眼神經(jīng)紊亂相對(duì)較少(即N＞D＞O)”[23]。

圖8 SSQ子量表評(píng)分Fig.8 Scores of the SSQ subscale

4.6 討論

從各問(wèn)卷分析可見(jiàn)，本文的評(píng)價(jià)指標(biāo)并不是相互獨(dú)立的，如臨場(chǎng)感問(wèn)卷和界面可用性問(wèn)卷都涉及到對(duì)界面質(zhì)量的評(píng)價(jià)，評(píng)分分別為：臨場(chǎng)感3.667±0.699，界面可用性 3.538±0.774，配對(duì) t檢驗(yàn)(雙側(cè)，α＝0.05，sig＝0.451)結(jié)果未顯示顯著差異，表明選擇標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)卷帶來(lái)更高的可靠性。如前文所述，相比其他指標(biāo)，界面質(zhì)量評(píng)分相對(duì)較低，原因是用戶對(duì)于交互設(shè)備的不適應(yīng)或不滿意，在開(kāi)發(fā)出新的交互方式前，讓用戶學(xué)習(xí)并適應(yīng)現(xiàn)有的交互方式是提升用戶體驗(yàn)質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

試驗(yàn)后用戶訪談過(guò)程我們了解到，多數(shù)受試者認(rèn)為在試驗(yàn)過(guò)程中忍受了不適感，特別是惡心想吐，引起了體力消耗。用戶評(píng)分結(jié)果驗(yàn)證了用戶訪談結(jié)果，Pearson相關(guān)系數(shù)分析表明，體力需求和SSQ癥狀中的總體不適，想吐兩項(xiàng)顯著相關(guān)(P＜0.05)，和SSQ量表總分也顯著相關(guān)(P＜0.01)。表4給出了各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)，可見(jiàn)副作用與任務(wù)負(fù)荷呈顯著正相關(guān)，而與臨場(chǎng)感呈顯著負(fù)相關(guān)，與有用性呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合上文分析，有理由認(rèn)為生理不適引起用戶體力消耗，加重了用戶的負(fù)荷，且用戶需要分散精力忍受這些不適，顯著地影響到了用戶的臨場(chǎng)感，并在一定程度上降低了用戶感知有用性，破壞了用戶的體驗(yàn)。

目前，關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)副作用產(chǎn)生的原因，尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，比較流行的觀點(diǎn)是感官?zèng)_突理論[24]。該理論認(rèn)為在虛擬環(huán)境下，前庭和視覺(jué)傳遞給中樞神經(jīng)的信息不一致而導(dǎo)致暈動(dòng)癥；同時(shí)該理論還指出，人們可以通過(guò)學(xué)習(xí)以適應(yīng)暈動(dòng)癥，這表明可以通過(guò)訓(xùn)練增強(qiáng)人對(duì)虛擬環(huán)境的適應(yīng)性和耐受度。

表4 指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 4 Correlation matrix of the metrics

航天員虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是用于航天員訓(xùn)練的工具，盡管其實(shí)用性得到了用戶的認(rèn)可，但引起生理不適也降低了用戶的愉悅感和使用欲望。研究表明，虛擬環(huán)境下的不適感強(qiáng)烈程度，隨著用戶暴露在虛擬環(huán)境下時(shí)間的增長(zhǎng)而增加[25]。本次試驗(yàn)持續(xù)約40 min，且中間沒(méi)有安排休息，雖然任務(wù)負(fù)荷量表中時(shí)間需求平均分低于50，但從各維度之間對(duì)比來(lái)看，時(shí)間需求評(píng)分較高，所以，在實(shí)際訓(xùn)練中，應(yīng)該適當(dāng)安排休息，避免用戶暴露在虛擬環(huán)境下的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

5 結(jié)論

本文通過(guò)用戶測(cè)試的方法，主要使用主觀評(píng)價(jià)法，對(duì)航天員艙內(nèi)導(dǎo)航與操作虛擬訓(xùn)練體驗(yàn)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文基于任務(wù)負(fù)荷、界面可用性、臨場(chǎng)感、副作用和有用性5個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)量表。整體來(lái)看，系統(tǒng)體驗(yàn)質(zhì)量達(dá)到了較好的水平。用戶評(píng)分結(jié)果表明，系統(tǒng)在界面可用性、臨場(chǎng)感和有用性方面表現(xiàn)良好，能滿足用戶期望；試驗(yàn)任務(wù)負(fù)荷適中，可以為訓(xùn)練任務(wù)設(shè)置提供參考。

系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要有2個(gè)方面：一是多數(shù)用戶在體驗(yàn)過(guò)程中遭受了生理不適，降低了用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，且對(duì)試驗(yàn)任務(wù)造成了干擾；二是用戶對(duì)于交互設(shè)備的不適應(yīng)和不滿意。減少訓(xùn)練時(shí)間能夠降低用戶的不適感，但訓(xùn)練時(shí)間太短則不能達(dá)到預(yù)期的訓(xùn)練效果，所以設(shè)置合理的訓(xùn)練時(shí)間非常必要。另外，雖然用戶可以學(xué)習(xí)并逐漸適應(yīng)交互方式和虛擬環(huán)境下的暈動(dòng)癥，但尋找解決這兩個(gè)問(wèn)題的技術(shù)手段更為關(guān)鍵。