基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)

劉秋雨 李剛

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）09-0026-02

1 具身認(rèn)知理論概述

具身認(rèn)知是當(dāng)代心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其基本內(nèi)涵是強(qiáng)調(diào)認(rèn)知對(duì)身體的依賴(lài)性，即通過(guò)身體的感覺(jué)和體驗(yàn)來(lái)構(gòu)建認(rèn)知過(guò)程。具身認(rèn)知的主要思想可歸納為三點(diǎn)：一是身體的生理結(jié)構(gòu)、身體的運(yùn)動(dòng)等特征影響認(rèn)知的產(chǎn)生和發(fā)展;二是身體所處的環(huán)境、情境影響認(rèn)知的產(chǎn)生和發(fā)展;三是大腦與身體的特殊感覺(jué)—運(yùn)動(dòng)通道神經(jīng)系統(tǒng)影響認(rèn)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(guó)外學(xué)者Faust 在1995 年就探討了將三維地理信息系統(tǒng)擴(kuò)展到虛擬現(xiàn)實(shí)層面的可能性。2004 年中國(guó)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(shí)驗(yàn)室（EVL）在1992 年構(gòu)建的CAVE（CaveAutomatic Virtual Environment）系統(tǒng)是世界上第一個(gè)基于投影的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，后續(xù)研究也一直致力于將虛擬現(xiàn)實(shí)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(lái)自于計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理信息科學(xué)領(lǐng)域，鮮有學(xué)者從設(shè)計(jì)學(xué)、數(shù)字媒體的角度對(duì)沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化的呈現(xiàn)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

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

3.1 感知覺(jué)的多維調(diào)用

通過(guò)基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)可以擁有更加豐富的信息通道，可以與用戶(hù)之間建立語(yǔ)音、觸覺(jué)、甚至嗅覺(jué)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(jí)認(rèn)知活動(dòng)，幫助對(duì)信息的識(shí)別和分析。

3.2 行為交互的全方位拓展

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

3.3 可視分析的情境化

基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)可以使用戶(hù)將新獲取的信息與現(xiàn)有的知識(shí)在工作記憶中整合，以預(yù)測(cè)未來(lái)信息狀態(tài)及后續(xù)決策。將通過(guò)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(mǎn)足數(shù)據(jù)的多維度呈現(xiàn)，為用戶(hù)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(gè)較為成熟的基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)案例，分別是：（1） 鄱陽(yáng)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(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(duì)難以實(shí)地勘查的地區(qū)構(gòu)建虛擬數(shù)字模型，用于開(kāi)展不受時(shí)空限制的地理數(shù)據(jù)分析任務(wù)。AR系統(tǒng)基于移動(dòng)設(shè)備，可輔助用戶(hù)在實(shí)景勘查工作中對(duì)難以觀(guān)察、記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行具象呈現(xiàn)。所選案例均已投入實(shí)際應(yīng)用或經(jīng)過(guò)用戶(hù)應(yīng)用測(cè)試，作為分析對(duì)象具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義，如表1。

4.1 多維信息的呈現(xiàn)與感知

三個(gè)設(shè)計(jì)案例均擁有足夠的顯示空間來(lái)支持用戶(hù)同時(shí)查看多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)集，并且支持二維、三維等多種類(lèi)型的信息同時(shí)顯示。用戶(hù)可以在統(tǒng)一的語(yǔ)境中查看數(shù)據(jù)信息，建立數(shù)據(jù)信息之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多通道信息在決策層上的語(yǔ)義融合?；诰呱碚J(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)為用戶(hù)帶來(lái)的空間視覺(jué)感知是立體的、多層次的，同時(shí)也為原始數(shù)據(jù)提供了更多的視覺(jué)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，同時(shí)配備顯示以用戶(hù)為中心的周邊二維地圖（圖1）;在鄱陽(yáng)湖虛擬地理環(huán)境系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)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(hù)可改變視角使自己置身于“雨水”中，讓觀(guān)察更具趣味性和臨場(chǎng)感。同時(shí)，設(shè)計(jì)者也提供了降雨量的時(shí)序數(shù)據(jù)圖表，以二維窗口的形式顯示，滿(mǎn)足用戶(hù)進(jìn)一步查詢(xún)?cè)敿?xì)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(jī)交互操作大多是在用戶(hù)的關(guān)注下進(jìn)行的，容易產(chǎn)生額外的操作負(fù)荷，基于具身認(rèn)知的交互體驗(yàn)以用戶(hù)的自然行為為基礎(chǔ)，挖掘行為動(dòng)作中的需求語(yǔ)義并給予反饋，技術(shù)工具消失在人機(jī)自然交互過(guò)程中，在鄱陽(yáng)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(hù)定位在環(huán)境中，根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際視角計(jì)算，使圖像的呈現(xiàn)始終保持正確的視角并能根據(jù)觀(guān)察者的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。而在移動(dòng)AR 地質(zhì)考察輔助系統(tǒng)（ARGeo）中，根據(jù)用戶(hù)當(dāng)前相機(jī)視野生成虛擬地形，并疊加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，內(nèi)置的傳感器使系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(hù)在虛擬場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的一致性體驗(yàn)（圖3）。

4.3 沉浸式數(shù)據(jù)分析情境

在基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)中，情境不是對(duì)真實(shí)空間場(chǎng)景的還原，而是構(gòu)建可幫助用戶(hù)、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(hù)認(rèn)知的系統(tǒng)環(huán)境，其對(duì)現(xiàn)實(shí)空間的模擬與呈現(xiàn)，有利于用戶(hù)掌握當(dāng)前任務(wù)態(tài)勢(shì)?；诰呱碚J(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)有足夠的空間和分辨率來(lái)顯示多種表示形式，并且可以對(duì)用戶(hù)身體動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，保證用戶(hù)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(yàn)。在鄱陽(yáng)湖虛擬地理環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)162，000km²鄱陽(yáng)湖流域的數(shù)字化重建，用戶(hù)臨界于場(chǎng)景之上，可根據(jù)需求自由選擇觀(guān)看視角。

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

基于前文理論與案例分析，研究以提升用戶(hù)體驗(yàn)為目的，提出基于具身認(rèn)知理論的沉浸式地理空間數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)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(guò)圖形符號(hào)的顏色、形狀、空間位置等來(lái)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(guò)追蹤觀(guān)察者視線(xiàn)，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(guān)察方式。同時(shí)，通過(guò)增加觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)系統(tǒng)的交互方式增強(qiáng)環(huán)境真實(shí)性與臨場(chǎng)感，輔助用戶(hù)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(hù)在沉浸式可視化中是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)環(huán)境的融合感知，因此可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)環(huán)境的一致性設(shè)計(jì)達(dá)到沉浸體驗(yàn)。例如，沉浸式界面中的UI 設(shè)計(jì)在色彩、風(fēng)格等視覺(jué)層面上應(yīng)與真實(shí)環(huán)境、實(shí)際場(chǎng)景相和諧，避免不和諧的視覺(jué)信息打破用戶(hù)的沉浸感。

5.3 交互行為的自然化

具身認(rèn)知以身體行為、感知與反饋為基礎(chǔ)，因此，在交互設(shè)計(jì)上應(yīng)以身體的自然反應(yīng)、無(wú)意識(shí)反應(yīng)、習(xí)慣性反應(yīng)為考量，讓行為引導(dǎo)認(rèn)知，身體與環(huán)境交互的過(guò)程也可以成為信息傳達(dá)的過(guò)程[8]。如通過(guò)動(dòng)作識(shí)別、表情識(shí)別、肢體語(yǔ)言識(shí)別、語(yǔ)音、腦電等來(lái)預(yù)估和判斷使用者的行為意圖，營(yíng)造自然的具身交互環(huán)境。

5.4 用戶(hù)感知情境化

用戶(hù)對(duì)情境的感知是對(duì)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(jì)中，應(yīng)使技術(shù)工具消失在互動(dòng)中，最大程度地將空間數(shù)據(jù)還原為空間場(chǎng)景，對(duì)地理空間信息進(jìn)行高保真呈現(xiàn)，讓使用者更自然地沉浸在數(shù)據(jù)的語(yǔ)義環(huán)境中，聚焦于情境體驗(yàn)，從而進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析活動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

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