虚拟骑行中的三种导航界面的体验度量

姜立军，李建余，李哲林，吴章鸿，张 瑜



虚拟骑行中的三种导航界面的体验度量

姜立军1,2，李建余1，李哲林1,2，吴章鸿1，张 瑜1

(1. 华南理工大学设计学院，广东 广州 510000；2. 广东省人机交互设计工程技术研究中心，广东 广州 510000)

相关研究显示，大部分用户在虚拟现实中会遇到导航困难，而目前对导航方式的研究仍十分稀缺。为此，以沉浸式虚拟骑行为例，对不同导航界面(地图、提示图标、寻路光带)的用户体验进行了度量，包括效率、满意度、易学性等。试验对象在虚拟环境里沿着场景里的路径骑行到达终点，在此过程中记录被试的时间、碰撞数等，以此量化用户体验的各要素。实验结果表明：提示图标导航方式一定程度上能提高虚拟骑行的效率，但不够显著，更重要的是会显著降低用户对虚拟场景的感知度；用户使用寻路光带导航方式执行任务时，易用性和易学性方面有显著的提升；使用地图导航的体验与无导航时的体验相差不大。

虚拟现实；虚拟骑行；导航；导航界面；用户体验

相对于现实环境，虚拟环境没有提供足够丰富的距离、运动和方向等线索，所以用户在虚拟现实场景中的交互会显得比较困难[1]。导航是虚拟环境中一种比较核心的交互方式，用户必须利用在虚拟环境中获得的空间认知来规划其行动，并以此形成一幅认知地图。然而，20%~30%的用户在导航中都会遇到困难[2]。

虚拟现实中的导航问题很早就受到了学者们的关注，1997年BOWMAN等[3]提出了导航任务的分类框架；1999年BOWMAN等[4-5]再次分别探索了不同导航技术对空间方向认知的影响，以及6种交互技术在导航任务中的效率。ZHAI等[6]设计出一款名为“Magic Carpet”的基于现实世界隐喻(推土机)的双重操纵导航界面。PINHO等[7]提出了名为“virtual bike”的设备，用户可以在虚拟环境中进行导航，就像骑着真正的自行车一样。JANG等[8]使用了全身运动的方式设计了一个名为“G-Bar”的输入界面，明显地提高用户的临场感，并且任务性能(完成时间和碰撞次数)与熟悉的键盘界面相一致。BIOCCA等[9]设计了一个名为“Attention Funnel”的虚拟界面，可将用户的注意力引导到任何对象(人或地点)。该技术利用动态感知能力吸引用户注意下一个“漏斗”到目标位置，使用户搜索的一致性提高了65%，搜索速度提高了22%。TEIXIRA等[10]发现操控杆执行导航任务时比平衡板更高效。KOPCIAK[11]列举了一些虚拟现实中的导航方式，包括Path following、Map、Bread Crumbs和Out-of-Body等。

上述研究大多致力于开发一种新的用户界面技术以及对其可用性评估，而这些界面都是在硬件层面的创新，对软件层面导航界面的研究比较少，对用户体验的影响仍待进一步验证。为此，本文以虚拟骑行为例，选取电脑3D游戏中最具代表性而且差异最大的3种导航界面应用于虚拟场景，进行体验度量研究，分析其是否能为用户在虚拟现实应用中带来更好的体验。

1 设计和评价框架

1.1 导航任务的分类

导航任务可以大致地分为3种类型：探索、搜索和操纵[1]。探索任务没有明确目的地，用户只是纯粹地视察环境；搜索任务包含一个特定目的地，但达到目的地的路径不确定，用户需要寻找和分辨能通往目的地的路径；操纵任务，即用户对目的地和路径都明确，通常可被描述为一种短范围、高精度的移动。操纵任务常见于竞速类电脑游戏，用户在单一路径的场景下执行任务，任务目标单一，通常为到达某个目的地。搜索和探索任务常见于角色扮演类或沙盒类游戏，用户均在无特定路径的场景下执行任务，不同点在于：搜索的目的性更强，而探索的任务目标则非常多样且因人而异。

1.2 界面

1.2.1 界面参考系

在虚拟现实中，头戴式显示器(Head-mounted Display，HMD)是最为主要的显示设备，能够让用户完全沉浸于虚拟环境当中，感受不到屏幕的存在。因此，在虚拟现实中的图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)已经很难再以屏幕作为参考系，取而代之的是其他更多的选择。不同参考系的界面会带来不同的用户体验。将界面放置在适当的参考系中对于可用性和舒适性非常重要[12]。通常，虚拟现实应用中的参考系主要有：①以头部作为参考系，即界面跟随用户的头部运动；②以躯干作为参考系，界面随着身体旋转和平移，用户可以利用身体感受感知，适合与身体相关的工具；③以虚拟世界作为参考系，有利于玩家对地理位置和方向的思考、大范围导航和建立对虚拟世界的认知地图[12]。

1.2.2 导航界面分类

经过对市面的各类虚拟产品调查发现，虚拟场景中的导航界面在电脑游戏里应用最广泛，其中最常见的导航形式如图1所示。

图1 常见游戏导航方式

地图导航方式(图1(a))能显示玩家所在的位置和周边的环境；寻路光带导航方式在路面上描绘一条发光的路径为用户提供视觉线索(图1(b))；提示图标导航方式(图1(c))在场景中标有弯道的信息，提示用户弯道的情况；实物路牌(图1(d))是与现实世界最接近的导航方式；虚拟地标(图1(e))导航方式通过标记出最终目的地位置，使得无论用户在何处都可以找到这标记；浮动图标导航方式(图1(f))将图标一直浮动在屏幕边缘，以此隐喻目的地方向。寻路光带、提示图标和实物路牌导航方式常见于竞速类游戏，即操纵任务；虚拟地标和浮动图标导航方式常见于角色扮演类游戏，即探索或搜索任务；地图导航方式在各类游戏中都非常常见，适用于各类导航任务。

本文参照图1所示的电脑游戏导航方式，提出适用于虚拟骑行的不同导航界面，研究不同导航界面中的用户体验。实物路牌、虚拟地标和寻路光带属于以虚拟世界为参考系的界面，浮动图标与提示图标属于以头部为参考系的界面，其差异性不大，所以本文将选取地图、寻路光带和提示图标作为研究对象，为了让3种界面的相对位置更契合各自特征，同时体现差异性，因此将其匹配到不同的界面参考系：地图以躯干为参考系；寻路光带以世界为参考系；提示图标以头部为参考系。

1.3 体验要素

效率、满意度、易学性、易用性是交互任务中经常被讨论的体验要素[13]。本文聚焦于用户在导航过程中的骑行体验。对于虚拟现实应用而言，环境感知度和临场感是比较重要的属性，是在虚拟现实中重要的体验要素[3]。因此，本文所指导航中的体验要素定义为以下几种：①效率，用户完成指定任务所消耗的时间，完成相同任务所需时间越短证明效率越高；②满意度，用户对导航方式的满意程度；③易学性，用户适应导航任务的快慢程度；④易用性，用户执行导航任务的难易程度；⑤环境感知度，用户能感知场景物体的程度；⑥临场感，用户觉得自己身临其境的程度。

2 实验

2.1 测试系统

2.1.1 硬件设备

硬件组成包括：运行Microsoft Windows 7 操作系统Intel i7处理器的PC，Oculus DK2 HMD头盔。使用NVIDIA GeForce GTX 1050显卡实现场景渲染。该卡具有两个视频输出，可同时连接液晶显示器和HMD头盔，实验人员可实时监控用户在虚拟环境中的操作。

本实验的输入设备是一台经过改装的自行车(图2)，能提供阻力来模拟上下坡骑行阻力。用户通过真实骑行来控制虚拟场景。骑行过程中的车头转向角度、车轮转速实时传送给测试系统。为了避免个体速度差异带来的误差，设备设有极限速度(5 m/s，中速骑行的速度)，即被试的速度达到5 m/s后，虚拟骑行速度不会再增加。

图2 实验的硬件设备

2.1.2 虚拟环境

本实验的虚拟环境是一个开阔的草地，草地上设有唯一道路让用户骑行(图3(a))，该道路涵盖了45°、90°、135°、180°的弯道，足以模拟常见的真实道路形态。道路两旁设有透明墙壁，道路上设有障碍物和围栏。在虚拟现实中碰撞会产生强烈的眩晕，所以当虚拟自行车与路面的障碍物、围栏或透明墙接触时，不会产生物理碰撞，但系统会记录此碰撞信息并且发出警告音。另外，虚拟环境上设有特征物体(吸引注意而且外观独特的物体)，物体上方标有数字(图3(b))。虚拟场景的路线图如图3(c)所示，19个障碍物随机分布于道路边缘，6个特征物体随机分布于道路两旁。

2.2 任务

本次实验将聚焦于导航中的操纵任务。实验要求被试者沿着虚拟环境中的道路骑行到终点。每次骑行大概需要2.5 min，执行3次，每次任务后可以休息一段时间。被试者需要尽量避免与环境上的物体和道路两旁的透明墙发生碰撞，并以最短的时间完成任务。每次任务后，需要回答有否发现特征物体并复述物体上面的数字。

2.3 假设

本实验将以无导航界面时的骑行体验为基准，与增加导航界面后的骑行体验进行比较。实验假设如下：与没有导航界面相比，使用导航界面对骑行体验(效率、满意度、易学性、易用性、环境感知度、临场感)有显著的提升(H0)。此外，基于3种导航界面具有不同的特性，本实验进一步提出假设：3种导航界面能带来不一样的体验(H1)；寻路光带的形式最直观，所以寻路光带的导航效率最高(H1.1)；地图的导航形式最常见、所以地图在易学性和易用性上会更胜一筹(H1.2)；提示图标能很好地引起用户注意，所以提示图标能让用户在转弯时有更好的表现(H1.3)。本实验将不考虑几个界面组合使用的情况，只聚焦于单个界面。因此实验将设有3组实验组(3种导航界面)和1组对照组(无导航界面)，通过组间比较验证假设。

图3 虚拟场景

2.4 被试

实验共28名被试者参与，年龄在20~25岁之间，其中16名被试者有使用过VR设备的经验。被试者随机分为4组，每组7人，有VR经验者占比均为4/7。划分后的4组被标记为Z、A、B和C，分别对应着无导航、寻路光带导航、地图导航和提示图标导航4种骑行方式。每组将会在相同的虚拟场景下执行任务。

2.5 执行

实验前被试者会被简单地询问年龄、性别、VR经验和电脑3D游戏经验。随后简短介绍实验流程、任务、设备的使用及相关注意事项。实验的流程将分为4个环节执行。

环节1. 练习。被试者带上VR设备并学习VR测试系统的使用：通过自行车平台(输入设备)控制虚拟自行车前行和转向，通过转动头部视察周边的环境(图4)。被试者会被安排在一个非实验虚拟环境进行骑行练习(图5(a))，当其认为已经熟悉设备并可以进行实验后即进入第二环节。

环节2. 预实验。被试者在虚拟场景(图5(b))中进行时长约2.5 min的骑行任务，到达终点后会被询问是否发现特征物体以及复述物体上方的数字。

环节3. 正式实验。与环节2基本相同，但被试者会被安排在全新的虚拟场景中骑行(图5(c))，而且每组会有各自的导航方式(图6)辅助被试完成任务。

环节4. 被试者需要填写一份问卷，以及接受实验员短暂的访谈。

图4 被试执行导航任务

2.6 数据收集与体验度量

在任务过程中，测试系统会自动记录以下数据：任务完成时间、碰撞次数、碰撞位置、发现特征物体的准确率。任务完成时间能有效代表效率；碰撞次数越多证明系统越难用，所以用碰撞次数来表征系统的易用性；环境感知度可以通过发现特征物体的准确率来度量；满意度、易学性、易用性、临场感是一种主观的感受，可通过问卷的形式度量。USE量表可以度量用户的满意度、易学型和易用性[13]。用户的临场感可以用PQ量表来度量[14]。体验要素和所收集数据的关系见表1。

图5 各环节的虚拟场景

图6 不同实验组的导航方式

表1 体验要素和所收集数据的关系

3 结 果

图7(a)显示在不同界面导航下，被试者完成任务的时间。无导航状态下的平均试验时间132.36 s，提示图标平均试验时间121.73 s，使用提示图标导航比无导航的骑行效率高出10.63 s(8.72%)，但不显著(=0.08)。地图和寻路光带的导航效率与无导航差别不大。图7(b)给出用户在各界面导航下的碰撞次数。各组的平均碰撞次数均在1.5次以下，然而实验数据有较大误差，所以不能得出结论。在环境感知度方面(图7(c))，使用提示图标后被试者发现物体的准确率只有50%，相比无导航下被试者发现物体90%的准确率低了40%，可以认为提示图标会显著降低用户对环境的感知度(=0.01)；地图对环境感知的影响不大，而寻路光带有轻微影响但不显著。

在主观评价方面(图8(a))，寻路光带一定程度上能提高用户对任务的满意度但并不显著(=0.09)，其他导航方式均无显著影响。提示图标和寻路光带都能明显地提高界面的易学性(=0.03)，此外寻路光带在易用性方面有显著的提高(=0.02)。用户的临场感会因导航界面的加入有小幅度的提升(图8(b))，但不显著(>0.05)。

本实验进一步对碰撞次数、弯道角度和环境感知度等要素间的相关性进行了分析。28名被试者中有10名发生了碰撞，其中9名碰撞于135°的弯道，5名碰撞于90°的弯道，均发生在偏转角度大的弯道上，其碰撞次数和位置分布如图9(a)所示。180°弯道上未发生碰撞，原因可能在于其转角的圆弧半径较大(1>2) (图9(b))。碰撞的概率是否取决于弯道的夹角和弯道所在的圆弧半径，有待进一步验证。由图10给出碰撞次数和环境感知度的相关性分析可以发现，碰撞次数与环境感知度不存在相关性，即碰撞不会影响用户对环境的感知。

图7 用户在客观数据上的平均得分

图8 用户在主观评价上的平均评分

图9 碰撞次数与弯道角度的分析

图10 碰撞次数和环境感知度的相关性分析

4 讨 论

实验结果与预期有较大的差别，即H0、H1都无法被完全证实。首先，寻路光带没有符合预期(使导航变得高效)，反而提示图标显得更高效，因为其能额外提示用户弯道有多急，使用户可以及时调整速度。在访谈中，75%的被试者认为提示图标对导航有帮助。尽管如此，仍不能确切地证明提示图标是一个最高效的导航方式。更重要的是，提示图标会显著降低用户对环境的感知度。所以不建议使用提示图标导航。甚至，不建议使用以头部为参考系的图形界面，因为存在着降低用户对环境的感知度的风险。

其次，虽然在客观评估上各种导航界面没有表现出明显优势，但在主观评价上(满意度、易学性、易用性)寻路光带有着不错的表现。在访谈中，有被试者反馈：“光带能让我更好地执行任务，我只要跟着它走就可以了”，近85%的被试者认为其对导航有帮助。可以认为，寻路光带能有效地在心理层面上降低任务难度。因此，建议使用寻路光带导航，而且更适合用于新手辅助或者更加复杂的路面环境。

再次，本次实验仅仅针对导航任务的其中一个分类(操纵任务)。在这一任务下，环境所提供的视觉信息或足以支持用户导航，所以在客观评估上各导航的差异不明显。此外，虽然地图导航方式没有表现出任何优势，但其能让用户全局地了解环境，可能更适合其他类型的导航任务，这有待以后的实验来验证。

最后，在虚拟场景的设计中，为了避免用户发生碰撞，建议尽量使用角度较小的弯道。角度较大的弯道除了会更容易让用户碰撞外，还会让用户产生眩晕感。目前还没发现能有效减少碰撞的界面，在以后的研究中会更加关注。

5 总结和未来工作

对寻路光带、地图和提示图标等3种导航方式进行了用户体验研究。首先将导航中的用户体验分解为6个要素：效率、满意度、易学性、易用性、环境感知度和临场感。然后将每种导航界面与无界面导航进行对比分析，确定其在各个体验要素上是否存在显著的提升。结果表明，寻路光带在易学性和易用性上有比较好的表现，提示图标会显著降低用户的环境感知度，地图与无导航没有显著的差别。最后，提出了这些导航界面的适用场景和使用建议。

本文仅针对一种导航任务进行研究，所以研究结论有一定局限性。在未来，研究将延伸至其他类型的导航任务，从而得出更多增强虚拟现实导航体验的方案。

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Experience Measurement of Three Navigation Interfaces in Virtual Riding

JIANG Lijun1,2, LI Jianyu1, LI Zhelin1,2, WU Zhanghong1, ZHANG Yu1

(1. College of Design, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510000, China; 2. Guangdong Engineering Research Center of Human-Computer Interaction Design, Guangzhou Guangdong 510000, China)

Relevant researches indicate that most users meet difficulties in navigation in virtual reality. However, the current study on navigation is still insufficient. Aiming at this problem, a study on immersive virtual riding is conducted to measure the user experience of different navigational interfaces including the map, the directional icon and the light path. The evaluation indicators involve efficiency, satisfaction and learnability. Subjects will ride along the paths in virtual environment to reach the destination and the system will record the riding time and the number of collisions to quantify different elements of user experience. The experimental result shows as follows. Firstly, the directional icon can increase the efficiency of virtual riding to some, but not significant degree. However, the directional icon contributes to low perception of other objects in virtual environment. Secondly, when the users use light path to navigate, the usability and the learnability are significantly improved. Lastly, there is little difference between the experience of map navigation and the experience without any navigation.

virtual reality; virtual riding; navigation; navigation interface; users experience

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018030515

A

2095-302X(2018)03-0515-07

2017-10-06；

2017-12-04

中央高校基本科研业务(2017ZX013)；广州市科技新委科学研究专项(201607010308)

姜立军(1968–)，男，湖南益阳人，教授，博士。主要研究方向为人因功效研究、人机交互技术研究。E-mail：ljjiang@scut.edu.cn