面向虛擬現(xiàn)實模擬平臺的動作編輯系統(tǒng)設(shè)計

胡茜雯，楊赫，方海，萬千

面向虛擬現(xiàn)實模擬平臺的動作編輯系統(tǒng)設(shè)計

胡茜雯1，楊赫2，方海1，萬千1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510030；2.北京樂客靈境科技有限公司，北京 100089）

解決體感設(shè)計中虛擬現(xiàn)實模擬平臺動作設(shè)計面臨的技術(shù)門檻高、動作難以靈活編輯等問題，優(yōu)化動作設(shè)計流程，提高體感設(shè)計師的設(shè)計質(zhì)量。通過對現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實模擬平臺的動作編輯過程和需求進行分析，提出一種非參數(shù)化的VR模擬平臺動作編輯系統(tǒng)，對動作編輯系統(tǒng)的功能構(gòu)架、操作流程和軟件界面進行設(shè)計，實現(xiàn)了VR模擬平臺動作設(shè)計的非線性編輯和關(guān)鍵信息可視化等功能。所構(gòu)建的動作編輯系統(tǒng)可以提高設(shè)計的可操作性，并有效提升體感設(shè)計的質(zhì)量，論證了新系統(tǒng)的有效性和可行性，探討了新手和專家體感設(shè)計師在借助不同系統(tǒng)進行設(shè)計時，設(shè)計工效評價的差異，為VR體感設(shè)計研究提供了參考和技術(shù)支持。

虛擬現(xiàn)實模擬平臺；動作編輯；系統(tǒng)設(shè)計；體感設(shè)計

隨著社會生產(chǎn)力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行業(yè)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）的需求日益旺盛，VR模擬平臺作為VR體驗的重要載體也隨之不斷成熟、普及，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科教、醫(yī)療、娛樂等領(lǐng)域[1-4]。體感設(shè)計指對人體軀體感覺進行設(shè)計，是包含觸覺、壓覺、溫覺和本體感覺的總體設(shè)計[5]，對模擬平臺進行體感設(shè)計指對用戶體驗場景中所感覺的運動狀態(tài)進行仿真模擬?，F(xiàn)有VR模擬平臺的動作設(shè)計仍存在一定的局限性，常需在動作編輯環(huán)節(jié)花費較多的精力，且設(shè)計質(zhì)量較依賴設(shè)計師的技術(shù)水平[6-7]。目前，市場上應(yīng)用于VR模擬平臺的動作編輯系統(tǒng)，主要是通過模擬量采集的方式來實現(xiàn)動作的錄入，以配合VR全景影片的情節(jié)內(nèi)容。然而，模擬量輸入的設(shè)計方式會導(dǎo)致模擬器錄入的動作與VR全景影片的同步性存在誤差，且后期編輯過程煩瑣，對體感設(shè)計師的技術(shù)門檻要求較高，進而出現(xiàn)VR體感設(shè)計的質(zhì)量可控性差、可操作性低、工作負(fù)荷高等問題。在VR體驗中，當(dāng)畫面與動作存在誤差時，不僅會嚴(yán)重影響體感評價，還容易引起用戶的眩暈感[8-9]。為了達到優(yōu)良的體感體驗，需要體感設(shè)計師在動作設(shè)計時盡可能地和諧與精準(zhǔn)[10]。通過對現(xiàn)有VR模擬平臺動作編輯設(shè)計流程的優(yōu)化，以及系統(tǒng)可視化設(shè)計，可以提高設(shè)計操作的有效性和完成質(zhì)量，降低工作認(rèn)知負(fù)荷，對提高VR體感設(shè)計工效具有重要意義。

1 VR動作編輯需求分析

VR模擬平臺是指輔助VR頭顯以增強體感的一系列物理載體，根據(jù)情節(jié)內(nèi)容可以是多種形式。在被動式體驗中，VR模擬平臺主要為座椅、車船等形式，見圖1，旨在增強VR全景影片的情景真實感，例如乘坐太空船體驗太空漫游，太空船作為VR模擬平臺可以隨飛行情景完成上升、下降、顛簸等動作[11]。VR模擬平臺體感設(shè)計的質(zhì)量直接影響用戶體驗的效果，尤其在被動式體驗中有著突出的作用[12-13]。雖然VR模擬平臺的造型形式多樣，但實現(xiàn)其運動的機構(gòu)較為單一，主要為單自由度、三自由度和六自由度模擬平臺。在現(xiàn)有VR模擬平臺動作設(shè)計模式中，僅能通過將模擬器連接電腦進行模擬量儲存來實現(xiàn)簡單的線性記錄功能，無法同時呈現(xiàn)相關(guān)信息，而VR模擬平臺動作設(shè)計是將動作設(shè)想通過合理、周密的規(guī)劃表達出來的復(fù)雜過程，動作錄制難以一蹴而就，需要對動作數(shù)據(jù)進行多次編輯、局部調(diào)整和反復(fù)調(diào)用，見圖2。

通過對現(xiàn)有VR模擬平臺動作設(shè)計問題與需求進行調(diào)研訪談，可將VR模擬平臺動作編輯需求和設(shè)計約束總結(jié)為以下3個方面：

圖1 VR模擬平臺的多種形式

圖2 以六自由度VR模擬平臺動作設(shè)計為例

1）關(guān)鍵功能性需求：動作的靈活錄制和編輯，編輯動作中可自動同步VR全景影片，實現(xiàn)復(fù)雜動作的拆解，并可分別進行非線性化編輯。

2）輔助功能性需求：擴展自建動作素材庫，解決現(xiàn)有設(shè)計中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一、關(guān)鍵信息無法顯示、項目文件管理和維護不便等問題。

3）設(shè)計約束：該系統(tǒng)需適用于市面上常見的單自由度加旋轉(zhuǎn)模擬平臺、多自由度（三自由度/六自由度）加旋轉(zhuǎn)模擬平臺、多自由度（三自由度/六自由度）加特效模擬平臺等。

可視化是利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將抽象數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成圖形或圖像，以呈現(xiàn)和實現(xiàn)交互的理論和方法。復(fù)雜信息的圖形化可以把直觀顯示和動態(tài)交互的特征加以統(tǒng)一，不僅可以使操作者一目了然地掌握主要信息，還可以通過改變圖形直接對具體的動作數(shù)據(jù)進行操作，極大地提高了可操作性和有效性，具有全局審視、增強理解、簡化復(fù)雜性等優(yōu)點[14-15]。構(gòu)建VR模擬平臺動作編輯需求與設(shè)計的映射關(guān)系，旨在明確系統(tǒng)功能與可視化形式，見圖3。

圖3 VR模擬平臺動作編輯需求與設(shè)計的映射關(guān)系

2 VR動作編輯系統(tǒng)設(shè)計

基于以上分析，提出了一種VR模擬平臺動作編輯系統(tǒng)（VR Simulation Platform Motion Editor）。

2.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計

該系統(tǒng)的主要組成包括以下4個部分：

1）編輯模塊：采用分量曲線編輯形式，簡化編輯規(guī)則，可刪除、復(fù)制、剪切、縫合任意動作節(jié)段；可自由移動動作時間起止點；可自由縮放動作時長等。

2）保存和調(diào)取模塊：可建立動作素材庫，對已錄制的動作片段進行保存，方便遇到類似的設(shè)計時可直接進行調(diào)取，無需再次錄制。

3）信息可視化模塊：以軌線形式實時記錄動作軌跡，可對每個電動缸進行曲線分量的單獨編輯；可對多條軌線進行可見與隱藏設(shè)置；可實現(xiàn)運動電動缸的實時狀態(tài)顯示。

4）模擬平臺與影片同步模塊：開始錄制動作時，自動同步VR全景影片播放位置；當(dāng)移動時間軸上的動作時間點時，VR全景影片畫面和VR模擬平臺（各電動缸位置）會同步至當(dāng)前的時間點狀態(tài)。

將現(xiàn)有VR模擬平臺動作設(shè)計模式與新系統(tǒng)VR模擬平臺動作設(shè)計模式進行對比，見表1。

表1 現(xiàn)有模式與新系統(tǒng)對比

Tab.1 Compare existing patterns with new systems

2.2 流程設(shè)計

新系統(tǒng)優(yōu)化了體感設(shè)計中VR模擬平臺的動作設(shè)計流程，見圖4。在現(xiàn)有動作編輯流程中，需要同時打開2個軟件，并在開始時進行手動同步開始。在整個動作設(shè)計過程中，如某個動作或某段動作的節(jié)選出現(xiàn)問題，則需要重新進行設(shè)計。新系統(tǒng)在開始動作設(shè)計時，無需手動同步VR全景影片播放軟件和動作錄制軟件，如某個動作或某段動作的節(jié)選出現(xiàn)問題，可僅對部分問題動作進行重新錄制或編輯。

2.3 軟件操作可視化設(shè)計

動作數(shù)據(jù)可視化是該系統(tǒng)設(shè)計的主要對象。動作設(shè)計的類型主要包括基礎(chǔ)動作和特效動作，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)具有不同特點?；A(chǔ)動作對應(yīng)連續(xù)數(shù)據(jù)，主要反映動作在一個連續(xù)的時間間隔或者時間跨度上的變化，其特點是能夠反映出事物隨時間變化的軌跡。特效動作對應(yīng)分類數(shù)據(jù)（即開關(guān)數(shù)據(jù)），主要反映在某個時間點或時間跨度上互不相容的類別或?qū)傩裕涮攸c是類別或?qū)傩缘膮^(qū)別顯示。區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)僅能記錄數(shù)據(jù)信息的模式，新系統(tǒng)對連續(xù)數(shù)據(jù)采用分量曲線顯示與編輯的形式，分類數(shù)據(jù)采用塊狀記錄，在當(dāng)前時間點運行時呈現(xiàn)出閃爍的狀態(tài)。此外，增加了電動缸狀態(tài)、外設(shè)模擬器連接指示等顯示功能，以增強體感設(shè)計師在動作設(shè)計中對抽象信息的感知。為了實現(xiàn)動作操作的可視化，可以在設(shè)計過程中將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)同時呈現(xiàn)在軟件界面中，便于體感設(shè)計師選取關(guān)鍵部分和細(xì)節(jié)，從而提高動作數(shù)據(jù)編輯的可操作性。

VR Simulation Platform Motion Editor主界面見圖5，主要功能分區(qū)包括文件信息顯示區(qū)（圖5中的①）、VR全景影片實時顯示區(qū)（圖5中的②）、外設(shè)模擬器對應(yīng)指示區(qū)（圖5中的③）、電動缸升降模擬顯示區(qū)（圖5中的④）、錄制按鈕區(qū)（圖5中的⑤）、特效動作實時顯示區(qū)（圖5中的⑥）、時間軸（圖5中的⑦）、動作軌線功能開關(guān)（圖5中的⑧）以及動作錄制曲線實時區(qū)（圖5中的⑨）。在動作錄制曲線實時區(qū)域中雙擊動作軌線，即可進入該條動作的分量曲線編輯頁面，見圖6。該界面包含編輯功能按鍵區(qū)（圖6中的⑩）、時間軸（圖6中的?）以及分量曲線編輯區(qū)（圖6中的?）。

圖4 動作設(shè)計流程對比

圖5 VR Simulation Platform Motion Editor主界面

圖6 VR Simulation Platform Motion Editor曲線分量編輯界面

3 設(shè)計工效評價

為了驗證所構(gòu)建的VR模擬平臺動作編輯系統(tǒng)（VR Simulation Platform Motion Editor）對設(shè)計師設(shè)計工效的改善情況，對新手和專家體感設(shè)計師在使用現(xiàn)有模式和新動作編輯系統(tǒng)時的有效性、效率、設(shè)計質(zhì)量，以及工作負(fù)荷的具體影響等方面進行了相關(guān)對比分析。

3.1 被試者

招募了體感設(shè)計師20人（男性），其中新手體感設(shè)計師10人（具備1～6個月的操作經(jīng)驗），專家體感設(shè)計師10人（具備1～2年的操作經(jīng)驗），被試者的平均年齡為27.05歲，標(biāo)準(zhǔn)差（）為2.837。所有被試者均具備獨立進行VR模擬平臺動作設(shè)計操作的能力，右利手，實驗前情緒平穩(wěn)且睡眠充足。

3.2 實驗任務(wù)與過程

選取內(nèi)容為“地心探險”的VR全景影片作為編輯素材，全片時長43 s，共16個動作任務(wù)，具體包含前傾、后傾、左傾、右傾、晃動等10個基礎(chǔ)動作，以及吹風(fēng)、震股、推背等6個特效動作。被試者首先采用傳統(tǒng)VR模擬平臺動作設(shè)計模式獨立完成實驗任務(wù)，隨后對2組被試者進行了相同時間和內(nèi)容的新系統(tǒng)培訓(xùn)，此后被試者采用新系統(tǒng)獨立完成所有的實驗任務(wù)。傳統(tǒng)模式和新系統(tǒng)的實驗影片除內(nèi)容節(jié)選不同之外，在時長、任務(wù)數(shù)量和任務(wù)難度上均保持一致，以消除熟悉度對被試者的影響。在每位被試者完成所有的實驗任務(wù)后，填寫主觀工作負(fù)荷評價問卷。最后，5位專業(yè)體感測試人員對每位被試者完成的動作文件進行體感評價。所有實驗過程中被試者的操作活動被一臺物理監(jiān)視器全程記錄，且對所操作的電腦進行同步錄屏。

3.3 設(shè)計工效評價指標(biāo)

為測量新系統(tǒng)對體感設(shè)計師設(shè)計工效的影響，采用SUMI（軟件可用性測試）等常用的系統(tǒng)操作績效測評指標(biāo)與測評方法，結(jié)合此次實驗的目的，最終選擇任務(wù)完成率、出錯次數(shù)、特定操作錯誤次數(shù)、任務(wù)完成總操作時間、任務(wù)完成總操作次數(shù)、完成質(zhì)量和主觀工作負(fù)荷評價作為評價指標(biāo)，分別對應(yīng)有效性、效率、質(zhì)量以及工作負(fù)荷等方面，見表2。

表2 設(shè)計工效評價指標(biāo)

Tab.2 Design ergonomic evaluation index

3.4 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要有1臺六自由度手持模擬器、1臺六自由度模擬平臺、1臺安裝該軟件的臺式電腦（Windows 10，64位）以及1副VR頭顯。

3.5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。2組數(shù)據(jù)的均數(shù)比較采用獨立樣本檢驗，新系統(tǒng)前后數(shù)據(jù)比較采用配對樣本檢驗。計量資料以均值（標(biāo)準(zhǔn)差）表示，<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.5.1 現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)計工效分析

在使用新系統(tǒng)前，新手組與專家組在任務(wù)完成率、出錯次數(shù)、任務(wù)完成總操作時間、任務(wù)完成總操作次數(shù)、完成質(zhì)量以及工作負(fù)荷指標(biāo)等方面無顯著差異（>0.05）。

2組數(shù)據(jù)對比分析，見表3。2組任務(wù)完成率均為100%，在任務(wù)完成總操作時間、總操作次數(shù)、出錯次數(shù)、完成質(zhì)量等方面呈顯著差異（<0.05），新手組的任務(wù)完成總操作時間明顯高于專家組的任務(wù)完成總操作時間，新手組的任務(wù)完成總操作次數(shù)明顯高于專家組的任務(wù)完成總操作次數(shù)，新手組的出錯次數(shù)明顯高于專家組的出錯次數(shù)，新手組的完成質(zhì)量明顯低于專家組的完成質(zhì)量，說明專家體感設(shè)計師在操作的有效性、效率和完成質(zhì)量上都明顯優(yōu)于新手體感設(shè)計師，兩者還存在一定的差距，新手體感設(shè)計師如要達到專家水平還需要投入較多的時間和學(xué)習(xí)成本。在工作負(fù)荷方面，新手組與專家組無顯著差異（＞0.05），新手組的工作負(fù)荷評價略高于專家組，這可能是由于傳統(tǒng)VR模擬平臺動作設(shè)計模式需要極強的眼手配合能力，同時對手感的要求較高，而新手體感設(shè)計師對動作設(shè)計了解的時間較短，還不能完全掌控此類操作。

表3 2組前測數(shù)據(jù)（獨立樣本t檢驗）

Tab.3 Two sets of pre-test data (independent t-test)

3.5.2 新系統(tǒng)的設(shè)計工效分析

在使用新系統(tǒng)后，2組任務(wù)的完成率沒有變化（均為100%），對其他數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見表4。

表4 2組后測數(shù)據(jù)（獨立樣本t檢驗）

Tab.4 Two sets of post-test data (paired t-test)

在有效性方面，從新手組的前后測數(shù)據(jù)可以看出，在出錯次數(shù)和特定操作錯誤次數(shù)（1）方面呈顯著差異（0.05），出錯次數(shù)從使用前的24.20下降至12.9，特定操作錯誤次數(shù)（1）從13.30下降至5.6。對專家組的前后測數(shù)據(jù)進行分析可知，在出錯次數(shù)和特定操作錯誤次數(shù)（3）方面呈顯著差異（<0.05），出錯次數(shù)從使用前的24.20下降至12.9，特定操作錯誤次數(shù)（3）從3.30下降至1.5。說明新系統(tǒng)可以明顯降低體感設(shè)計師的出錯次數(shù)，且會降低不同層次的體感設(shè)計師的部分典型錯誤，后續(xù)研究可深入分析不同設(shè)計方式對特定操作錯誤比率的影響。

在效率方面，從新手組的前后測數(shù)據(jù)可以看出，在任務(wù)完成總操作時間和任務(wù)完成總操作次數(shù)方面呈顯著差異（<0.05），任務(wù)完成總操作時間從使用前的1 885.80上升至3 294.3，任務(wù)完成總操作次數(shù)從使用前的258.70上升至742.1。從專家組的前后測數(shù)據(jù)可以看出，在任務(wù)完成總操作時間和任務(wù)完成總操作次數(shù)方面呈顯著差異（<0.05），任務(wù)完成總操作時間從使用前的1 503.20上升至2 593.8，務(wù)完成總操作次數(shù)從使用前的187.90上升至621.8。說明2組任務(wù)在使用新系統(tǒng)后設(shè)計時長和操作次數(shù)有明顯增加，這可能是由于新系統(tǒng)為設(shè)計提供了更多的編輯功能，體感設(shè)計師在設(shè)計中有更多的可選項，會進行多次反復(fù)對比。

在完成質(zhì)量方面，對于新手組，使用新系統(tǒng)前后的完成質(zhì)量呈明顯差異（<0.05），從使用前的 3.09提升至使用后的3.833 2。對于專家組，使用新系統(tǒng)前后的完成質(zhì)量呈明顯差異（<0.05），從使用前的3.45提升至使用后的3.832 8。由此可見，在使用新系統(tǒng)前，新手組與專家組仍有一定差距，但經(jīng)過培訓(xùn)后，新手組與專家組的完成質(zhì)量極為接近，都提高到了一個較高的層面。

在主觀工作負(fù)荷方面，對于新手組，使用該系統(tǒng)前后的主觀工作負(fù)荷評價呈明顯差異（<0.05），從使用前的4.00降低至使用后的2.4。對于專家組，使用該系統(tǒng)前后的主觀工作負(fù)荷評價呈明顯差異（<0.05），從使用前的3.50降低至使用后的2.4。說明新系統(tǒng)可有效降低體感設(shè)計師的工作負(fù)荷，尤其對新手組的效果更為明顯。

綜上所述，雖然新系統(tǒng)會使設(shè)計時長在一定程度上有所增加，但在提高操作有效性、設(shè)計完成質(zhì)量以及降低工作認(rèn)知負(fù)荷等方面有明顯改善。此次研究選取的任務(wù)影片時長較短，然而在實際情況中，體感設(shè)計師會連續(xù)多個小時進行動作設(shè)計活動，在長時間的設(shè)計作業(yè)中操作工效可能會有所差異，可在未來進一步深入研究。

4 結(jié)語

VR體感設(shè)計作為VR產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶動的新領(lǐng)域，在發(fā)展中存在一定的局限性。VR體感設(shè)計具有載體豐富化、視角多樣化和設(shè)計過程動態(tài)化等特點，其中面向VR模擬平臺的動作編輯是VR體感設(shè)計中較為常見和基礎(chǔ)的一種形式。VR模擬平臺的動作設(shè)計質(zhì)量是影響VR體感體驗的重要因素之一，通過對現(xiàn)有VR模擬平臺動作編輯過程和需求進行分析，提出了一種面向VR模擬平臺的動作編輯系統(tǒng)，主要從設(shè)計思維與功能架構(gòu)、操作流程、信息可視化3個方面進行了改進與優(yōu)化。通過設(shè)置2組對比實驗，對其新系統(tǒng)的設(shè)計工效進行分析，論證了新系統(tǒng)在提高操作有效性、設(shè)計質(zhì)量，以及降低工作認(rèn)知負(fù)荷等方面有明顯改善。然而，由于體感設(shè)計師自身的學(xué)習(xí)能力和理解能力存在差異性，所以需要在后續(xù)的研究中進行更為深入的量化分析和研究，進一步發(fā)掘影響體感設(shè)計工效的更深層次的因素。

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Design of Motion Editing System for Virtual Reality Simulation Platform

HU Qian-wen1, YANG He2, FANG Hai1, WAN Qian1

(1.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510030, China; 2.Beijign Leke VR Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China)

The paper aims to solve the problems in motion design of virtual reality simulation platform, such as high technical threshold and difficulty in flexible editing of motion, optimize the motion design process, and improve the design quality of motion designers. Following the existing virtual reality simulation platform action editing process and demand analysis, a non-parametric VR simulation platform motion editing system is proposed. The functional architecture, operation flow and software interface of the motion editing system are designed to realize the nonlinear editing of VR simulation platform motion design and the visualization of key information. The motion editing system can not only improve the operability of the design but also effectively improve the quality of motion sensing design. The motion editing system can not only improve the design operability, but also effectively improve the quality of motion sensing design, which proves the effectiveness and feasibility of the new system. At the same time, the differences of design ergonomics evaluation between novice and expert somatosensory designers when designing with different systems are discussed, which provides reference and technical support for VR somatosensory design research.

virtual reality simulation platform; motion editing; system design; somatosensory design

TB472

A

1001-3563(2022)12-0099-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.010

2022–01–12

胡茜雯（1991—），女，博士，主要研究方向為工業(yè)設(shè)計與創(chuàng)意產(chǎn)品。

責(zé)任編輯：馬夢遙