虚拟现实全景流体绘画系统的可用性研究

朱永宁，葛 婷，杜盛瑀，楼泽如，王建民

虚拟现实全景流体绘画系统的可用性研究

朱永宁1，葛 婷1，杜盛瑀2，楼泽如1，王建民1

(1. 同济大学艺术与传媒学院，上海 201804；2. 腾讯科技天美T2工作室，上海 200233)

虚拟现实环境给三维空间场景应用带来更强的真实感和身临其境的体验。在虚拟现实场景中经常需要使用360°全景图像生成沉浸式环境背景，其中全景流体动力学绘画系统提供了一个新的全景图绘制方法。在调研虚拟现实技术在流体绘画领域应用的适用性测试中，本文综合运用用户测试法、操作日志分析法、事后问卷调查法和访谈法，对基于虚拟现实的全景式流体绘画创作系统进行可用性评估，并创意性地使用可视化方法辅助日志分析。所有的受试者均认为系统的可用性不低于一般水平，利用该系统完成流体绘画的创作工作不需要受试者具有专业绘画经验。受试者对系统的功能效果持积极肯定的意见，并期待尝试用其他交互形式代替手柄类交互方式以促进艺术创作的表达。其研究方法和结果将为同类系统的开发和评估提供参考。

可用性；有效性；用户体验；虚拟现实；流体艺术

近年来，虚拟现实(virtual reality，VR)技术在医疗、城市仿真、教育和娱乐等广泛领域，展现出强大的传播推动力[1]。随着以用户为中心的设计理念(user centered design，UCD)逐渐深入人心，对系统进行可用性评估变得日益重要。不同于移动或桌面应用，虚拟环境中的交互系统的可用性，尤指控制的精确性和交互的自然性；其会影响用户对系统的使用[2]。因此可用性评估被越来越多地被引入到VR系统开发中。目前，针对艺术创作系统可用性评估的研究较为缺乏。考虑到VR领域独有的特点，其在评估上与传统以桌面为平台的系统有所不同[3]。尽管已有不少学者针对这个问题做了研究，多数模型和标准仍无法支持所有影响可用性的因素[4-6]。

全景式流体绘画创作系统是一个代表性的基于VR环境的艺术创意系统。本文基于该系统进行可用性分析。该系统的画面同时受到动力学模拟和用户操作的影响，与其他艺术创作系统有明显的差异，评估的复杂度和难度也更大。尤其是研究人员无法了解用户在虚拟环境中的使用过程，这成为调研VR系统的一大挑战。本文以该系统为平台，创新性地将操作日志法应用于VR系统的评估中，特别是应用可视化方法辅助日志分析，为研究人员了解用户的操作行为提供了直观的线索和证据，同时辅之以其他通用的定性和定量研究方法，对系统当前可用性状况进行评估，查找系统中存在的可用性问题，为同类系统的开发和评估提供参考。

1 相关工作

客观评价能够直接反映用户对系统的认可程度。KEEFE等[7]从交互行为的角度出发，基于用户的主观评价对CavePainting系统进行了初步的形成性评估。MÄKELÄ等[8]是基于用户纯主观反馈评估调查了三维绘画工具在技术上的局限性和创作上的潜力。EROGLU等[9]在对流体草图系统的评估中，主要针对用户的主观评价进行了讨论。

通过客观评价指标来度量系统的可用性是另一种重要的方法。KEEFE等[10]提出了一项基于触觉辅助的三维建模输入技术，并对其进行了初步的评估探索。出错数和任务完成时间是衡量任务绩效的2大指标。ISRAEL等[11]通过对比用户在二维和三维条件下的任务表现，对沉浸式三维草图系统的功能进行了验证，主要依据为任务完成时间和专家对任务表现的评分。除了主观评价和任务时间、任务水平满意度、测试水平满意度、出错数、完成数[12]等绩效指标外，主观的脑力负荷等心理学方面的测量因素也开始用于绩效评估[13]。

上述通用的定量和定性方法均不能反映用户在虚拟环境中的使用过程和操作细节，缺失了VR系统可用性评估的重要证据。绘画作品创作过程尤其重要，这也是度量系统可用性的一个途径[7]。在网页和移动端的交互设计中，有研究提出了应用操作日志分析法来分析用户交互行为和评估系统可用性的思路。GRAY等[14]指出操作日志法，可辅助研究人员发现网站在可用性方面存在的问题。WEI等[15]通过对用户在eBay电商网站点击流的分析，研究用户的交互行为，以此指导和验证网站的功能设计。然而，在VR领域，这方面的研究较少。JACKSON和KEEFE[16]将操作日志应用于沉浸式三维建模系统Lift-off的可用性评估中，为研究人员了解用户的动作和行为提供了线索。

综上所述，主观评价是获取用户对系统态度的最直观的方式，本文将通过观察法、大声思维法和访谈法了解用户对研究系统的感受。然而，由于该系统工作流程灵活且创作自主性高，用出错数、完成度等的绩效指标来评定欠缺充分性，并采用问卷调查法补充衡量系统的可用性。另外，本文的研究参考了文献[16]操作日志分析法，并创新性地应用可视化方法辅助日志分析。本文综合上述方法针对流体绘画领域进行探讨，为同类系统的评估提供思路。

2 系统架构与设计

基于VR的全景式流体绘画创作系统(panoramic fluid painting，PFP)是一个数字媒体艺术创意工具。二维平面中的水墨动力学模拟被广泛应用于模拟水墨和水彩绘画效果[17-19]，但缺少沉浸感，不适合VR应用的需求。文献[9]开发的流体素描系统可以在CAVE环境中交互生成模拟流体运动的粒子，但缺乏沉浸感。DU等[20]提出一种沉浸式虚拟环境中的基于水墨动力学模拟的交互式绘制方法，其为全景绘画艺术家提供了更加直接的解决方案——支持用户在VR的全景球面上通过虚拟笔刷对球面图像进行绘制，并基于水墨动力学方法实时模拟液体颜料和基底的演化。Tilt Brush(https://www.tiltbrush.com)和Quill(https://quill.fb.com/)同为沉浸式环境中进行绘画创意的代表性应用，其为基于空间的笔画路径及图形生成画面，而本文研究的系统则是直接处理像素图像，并对其进行物理模拟，因此在绘画创意中适用场景和画面特点有所不同。

2.1 系统框架

该系统基于Unity3D引擎开发，使用Oculus Rift CV1作为头戴式显示设备，创建交互沉浸感。当用户带上头戴式显示后，即进入一个虚拟场景空间(图1)。该场景包括一个全景球面、用户界面和虚拟画笔。用户界面用于设定画笔属性，材质和物理性质等，用户通过操作笔刷在虚拟球面上进行颜料绘制。颜料绘制在球面上以流体动力学模拟生成水墨运动的质感。

图1 全景空间作品与参照作品((a)全景空间作品《数株连碧》；(b)测试用真实流体绘画参考作品)

2.2 用户界面

用户界面的设计由3部分构成(图2)：色彩区、笔刷参数区和测试画布。通过用户界面，用户可以方便地选择、调整和设置笔刷并进行保存、更新等管理。通过选取调节参数，艺术家可以设计并管理颜色、笔刷贴图、笔刷物理性质等属性。预设工具是本系统的一大特色。由文献[9]和本系统早期的用户测试均表明，大量的参数给初次使用系统的用户带来困难。这里提供一些预制参数组可以帮助用户理解参数并快速开始作画。经过艺术家调制的预制笔刷在接下来的绘制流程中方便反复选取和修改，从而使得艺术家可以不间断地完成从效果设计开发到创作的整个流程。预设笔刷中除了普通静态笔刷，还带有动力学效果如吸管、吹风机、刮刀等工具的特效笔刷。类似地，艺术家可以方便地设计并管理预设颜色和预设纹理。

1.物理参数；2.预设笔刷；3.预设颜色；4.测试/纹理画布；5.颜色选择器；6.透明度；7.预设纹理；8.清空测试/纹理画布

2.3 交互方式

虚拟画笔由Oculus Touch 6自由度手柄映射实现。用户完成一幅作品的流程包括：从颜色选择器取色、预制颜色的设计与管理、笔刷物理参数调节(表1)、预制笔刷的设计测试与管理、笔刷纹理设计绘制与管理、在测试区域上的笔刷测试和全景球面上的实际绘制等步骤。

表1 参数详情

3 可用性实验设计

本文综合考虑流体绘画的复杂性、可重复性和效果，并选择2个绘画任务，招募了16位受试者进行可用性实验。且对其行为进行了记录，在实验前、后进行调查和深度访谈。

3.1 受试者

16位具有艺术背景的受试者作为系统的主要受众和目标群体。其精通绘画以及图像处理的软件，但事先未接触过待测设备或类似系统。杰柯柏·尼尔森提出了一个学说，“5人参加的用户测试，即可发现大多数(约85%)的产品可用性问题”[21]。

3.2 测试方法

本文聚焦于沉浸式环境中的全景式流体绘画的有效性，以最基本的绘画工具选用与否、以及使用所选的工具能否实现流体艺术的效果作为有效性的评价标准。使用系统可用性量表(system usability scale，SUS)[22]收集用户对系统的客观评价。SUS因具有Alpha=0.91[23]很高的信度，即便在样本量有限的情况下，也可以快速达到测试效果[24]，所以被广泛用于测试产品/系统(原型)的可用性。SUS包含了10个题目，奇数项是正面陈述，偶数项是反面陈述。每项使用5点量表(1=强烈反对，5=非常同意)进行测量。得到的原始数据需将其转化为百分制的分数。总分大于70表明系统/产品(原型)的可用性处在可接受的水平，而总分低于50则表明系统不可接受。

继而通过2个开放式问题的访谈了解用户对系统的主观体验：①请您谈一谈使用感想；②如果对系统进行优化，您认为最应该改善的是哪个部分？

3.3 测试任务

受试者参照花和羽毛的流体画创作的视频，在内测试任务中分别完成了2个主题内容的创作。其过程包括：将颜料倒入画布上混合，并利用吸管、吹风机或刮刀等工具进行调整。以上案例作为测试样本有3方面的原因：①这2类主题的创作在流体绘画中较为常见，具有代表性；②难度适中，适合新手用户；③在花和羽毛的创作中分别用到了吹风机和刮刀2种特殊效果工具。可以达到检验系统能否模拟流动效果的目的。

3.4 测试流程

(1) 培训。向受试者介绍测试的目的和作用，并强调测试的重点是产品的可用性，而不是其个人的能力和表现。之后，介绍系统的总体功能并对用户界面、Oculus CV1和Oculus Touch手柄等的使用进行讲解。为了促进受试者对流体绘画的理解，要求其分别观看现实中花和羽毛的创作视频。

(2) 练习。受试者带上头戴式显示设备，进入虚拟空间，自由练习。在练习中有任何疑惑均可提问，但不涉及工作流程。每位受试者的培训时间为15～20 min。

(3)执行测试。受试者完成2个案例的测试。期间，鼓励受试者说出正在思考的内容。由于艺术创作具有自主性强的特点，因此测试计时但不限时。在此过程中，用户操作细节及结果均被记录到日志文件或录制为视频。

(4) 绘制完成后填写SUS问卷并进行访谈。

另外，为了测试系统原型及设计方案和流程，在正式测试前，对3位艺术专业的学生(2位本科学生，1位研究生；2位女性，1位男性)进行了预测试。通过预测试，确定了数据收集状况以及受试者对问卷的理解程度和测试所需时间。测试环境及设备如图3所示。

图3 测试环境及设备

3.5 测试评价

本文为2个案例设计了6个笔刷，通过选用笔刷和调整参数完成案例是本测试的关键步骤。对于案例1，主要使用普通笔刷1，以及带有2种不同吹风机特效的笔刷2和3；对于案例2，分别使用普通笔刷6，以及带有2种不同刮刀特效的笔刷7和8。其中预制笔刷的排列，先右后左，每列自上而下被命为笔刷1～9，其中2，3，7，8为特效笔刷。

4 结 果

测试为期2周，共有13位艺术专业的学生参与了正式测试，其中男生5人，女生8人；9位本科生，3位硕士生和1位博士生；年龄19～28岁。7位曾有过VR体验；9位学过绘画，其中，7位的绘画基础超过1年。就流体绘画方面的经验而言，有5位听说过流体绘画，仅有2位画过流体绘画。所有的受试者均为首次使用本文系统。不过，有2位表示，“虽没用过该系统，但用过类似的”。均无视觉障碍，且均为右利手。

4.1 SUS量表结果

图4为13位受试者的SUS总分以及相对应的形容词等级[23]。不难看出，所有的受试者均认为系统可用性不低于一般水平。其中，6/13的受试者认为可用性良好或优秀，7/13受试者认为可用性一般。另外，研究还发现受试者的流体绘画经验与对系统可用性的评价存在关系。受试者5和9有过流体绘画的创作经验，相较其他没有流体绘画实践经验的受试者，对系统有更高的评价。

图4 13位受试者SUS总分及相应形容词等级

4.2 操作日志分析

在测试过程中，监控系统对受试者活动的全过程进行视频录制和操作日志记录。在日志中分别记录了每一次操作事件的时间、行为、对象、具体操作及其他相关细节(如用户界面中参数设定的具体的值，笔刷绘制的具体位置等)。表2分别列出了行为-对象-操作3组日志记录标签分类及编码表。

测试中用户的行为分为3类：①离散事件，如点击手柄上实体按钮A/B键、通过扳机对用户界面上按钮(预设颜色、笔刷和纹理等)进行选择等；②连续事件，如通过摇杆对物理参数进行调节和绘制。日志记录事件的“开始”和“结束”及参数值变化情况。

统计工具使用频率发现，除了案例1中的受试者5和9，其余受试者在2个案例中均选用了正确的笔刷工具。所有的受试者均完成了案例中的流体绘画。在笔刷工具中，半径调节工具使用频率最高；在取色工具中，预设颜色的选用频率也较高。艺术家在现实创作中最常调整的是画笔的颜色和笔刷大小[10]。

表2 行为，对象及操作标签代码含义

10/13的受试者在第1个案例中所用的时间明显高于第2个，如图5所示，考虑到2个案例在难度上相近，有可能随着时间的推进大部分受试者对系统的使用趋于熟练。本文系统可以有效地实现流体绘画效果，且工作流程灵活，功能的设计符合用户的习惯。

图5 13位受试者完成2个案例所用时间

4.3 深度访谈

深度访谈主要反映受试者的主观感受。其内容总结如下：

(1)受试者对系统的评价中(表3)，积极评价多于非积极的评价。部分受试者认为操作简单易学、好用，体验过程富有趣味，创作自由且能够产生吸引人的效果。然而，一部分受试者认为交互方式、用户界面等还存在一些问题导致体验不佳。其中，几条关于人体工程学的评论值得注意。首先，尽管本文采用单个手柄进行操作，绘画时需持续保持同一姿势，让人感到疲劳。文献[16]建议，使用更加轻量的输入设备并最大程度地减少单个操作所需的精力将有望缓解使用的疲劳感。另外，“(手柄)精细操作容易手抖”的问题可能与以下几个方面的因素有关：①绘画时无物理依靠，控制困难；②长期执有手柄感到疲劳；③手柄的精度还无法满足精细操作的需求；④速度太慢也会引起抖动。这在一定程度上会影响艺术家的艺术创作和表达。文献[8]建议，训练手部动作，或者避免过小的视觉操作动机，可以缓解不准确造成的干扰。寻找艺术和技术的平衡点也是后续迭代设计中需要考虑的重要问题。

表3 受试者对系统的评价

(2) 当问及“你觉得系统的哪些地方需要改进？”时，受试者的意见主要集中于用户界面的交互问题上。不少人指出，用户界面一直显示在全景式画布上，“容易误触”“很碍手碍脚”。相比而言，Tilt Brush将用户界面从虚拟空间中的画布上解放出来，连接在用户的左手上，用户界面和画布相互独立，互不干扰。另外，允许用户界面隐藏也可以达到相似的效果。

(3) 受试者还提出如下建议：有3位希望增加撤销功能。有1位希望提供更丰富的画笔效果。还有的受试者提出，作品以图片的形式保存下来，失去了冲击力和表现力。

4.4 对比实验结果

为了更加客观地评估基于VR的全景式流体绘画创作系统的可用性问题，及其功能特点，本文以Tilt Brush为对照对象，采用同样的实验设计和方法进行对照研究(图6)。共有5名艺术专业的学生参与了该项用户测试，并绘制同样的2幅测试作品。其中男生2人，女生3人，包括4位大学生和1位研究生。其均有过VR体验以及3年以上绘画基础。

图6 受试者作品比较

所有的受试者均认为Tilt Brush软件的可用性为良好及以上水平。3位受试者认为可用性良好，另2位认为可用性优秀。应用其绘制立体线条非常有表现力且使用方便，但是对于带有动力学质感的测试画面较困难。

4位受试者表示Tilt Brush的界面更加完善，而PFP界面的一些常用功能有待更新。1位受试者认为Tilt Brush画板的三棱柱形界面设计扩展了画板的空间。2位受试者认为PFP的笔刷制作流程有助于绘制较复杂的画面，但学习其设定有一定困难。

与基于全景式绘画空间的VR全景式流体绘画创作系统相比，Tilt Brush的特色在于三维立体作画空间。从体验上来说，受试者认为2个软件均充满趣味，容易上手，且带来新奇体验。

5 操作日志可视化分析

对于艺术绘画应用，用户在5 min左右的绘制过程中，将进行1.0～1.5万次左右的操作，这些操作具有明显的规律性和随时间变化规律。本文通过可视化方法，更加直观完整地表现用户行为模式，并从中分析用户行为特点。将行为-对象-操作编码分别实时可视化(图7)，从中详细地观察到4.2节中通过量化分析方法总结出的用户替换和使用笔刷的频率和模式。

图7 实时可视化((a)行为-对象-操作日志可视化；(b)关键事件可视化)

进一步将不同用户的行为可视化图像进行比对，并直观地呈现其用笔模式的异同(图8)。一些受试者倾向于先用预设普通笔刷完成草稿，而后用特效笔刷来实现流动的效果，另一些则交叉使用预设普通笔刷和特效笔刷。图8(a)中的m1段用户频繁更换颜色并测试，图8(b)和(c)中的两处m2段用户花更多时间精细选择颜色并频繁使用固定颜色。类似的用笔模式区别在笔刷和参数的工具使用中也被观察到。在测试笔刷的过程中，图8(a)和(c)中的m3段用户用笔频率阶段性高低变化。图8(d)中的m4段用户有绘制与休息思考间歇的行为。这些模式为今后进一步量化分析提供了新的思路。

用户使用过程中频率最高的关键事件对应于行为-对象-操作等3组参数的组合，并对这些事件单独进行编码(表4)，将4.2节中离散事件和连续事件分别呈现在事件可视化画面中，为直观分析提供更清晰的辅助工具。进一步观察到绘制、选笔刷和颜色这3类关键事件在本系统的用户行为中最具代表性，因此，本文从关键事件可视化中提取上述3个事件的图像合成，作为主要事件分析的工具(图9)。通过3个事件的用户比较可观察到上述行为规律。

图8 用户比较及举例((a)行为；(b)对象；(c)操作；(d)关键事件))

表4 行为-对象-操作及其对应关键事件和事件编码

图9 绘制(黄色)，选笔刷(绿色)和选颜色(粉色)3个代表性事件的用户行为模式比较

6 讨 论

本文以流体画为例，研究了基于VR的全景式流体绘画创作系统的可用性问题，得到以下结论和发现：首先，该系统能够有效地支持在VR空间模拟流体绘画效果。即便是一个毫无经验的新手用户也可以利用该系统完成流体绘画的创作。同时，所有的受试者均认为系统的可用性不低于一般水平。具有流体绘画实践经历的受试者对系统的可用性有更高的评价。其次，从用户的主观评价来看，大部分受试者的体验感受是积极的，积极评价多于非积极的评价。不过关于用户界面的交互，以及几个人体工程学方面的问题还有待进一步深入探究。总而言之，系统具备较好的可用性。

在进行用户行为模式分析过程中，本文针对日志结构开发了可视化的工具，并从中分析到用户行为模式。在未来，研究将延伸至对操作日志的进一步可视化分析，使研究人员可以及时了解用户的操作行为、监测用户的创作过程，为基于VR的全景式流体绘画创作系统的可用性评估提出进一步研究建议，从而丰富VR应用的可用性评估方案。

尽管360°全景式球幕为人们提供了环绕式的全方位绘画空间，受试者可充分利用全景式空间。除了培训案例的局部性因素，对新手用户而言，适应并开展沉浸式的自主创意需要一个过程。这也是后续工作需关注的问题。

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A usability study of panoramic fluid painting system in immersive virtual environments

ZHU Yong-ning1, GE Ting1, DU Sheng-yu2, LOU Ze-ru1, WANG Jian-min1

(1. College of Arts and Media, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Tencent TiMi T2 Studio, Shanghai 200233, China)

Immersive Virtual Environments (IVEs) bring more realistic immersion and in-person experience to 3D scenes. Besides, 360-degree panoramic images are imperative for the effective creation of immersive environment backgrounds. Panoramic Fluid Painting (PFP) introduces a novel creative tool for panoramic painting with fluid dynamics. In this paper, the applicability of virtual reality technologies was investigated in the field of fluid painting. Specifically, the user testing method, operation log analysis, post-hoc questionnaire, and interview were employed to study the usability of the PFP system in virtual reality environments. Then, the operation log was investigated to facilitate procedural analysis. All testers believe that the usability of the system was no lower than the average level, and even a novice user can use the system to complete the creation of fluid painting pieces.The users primarily held positive opinions on the function and effects of the system, insisting thatsuch interaction methods of the handle would enhance the expression of artistic creation. The methods and results of the research would provide a reference for the development and evaluation of similar systems.

usability; effectiveness; user experience; virtual reality; fluid art

TP 391；TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2021050833

A

2095-302X(2021)05-0833-08

2020-11-19；

2021-02-20

19 November，2020；

20 February，2021

国家重点研究发展计划项目(2018YFB1004903)；国家青年科学基金项目(71804126)；同济大学精品实验教学项目和同济大学研究生教育研究与改革项目(2020JC35)

National Key Research and Development Plan of China (2018YFB1004903); National Youth Science Fund of China (71804126); Excellent Experimental Teaching Project of Tongji University and Graduate Education Research and Reform Project of Tongji University (2020JC35)

朱永宁(1981–)，女，北京人，助理教授，博士。主要研究方向为交互媒体艺术和物理模拟。E-mail：yongningbrg@qq.com

ZHU Yong-ning (1981-), female, assistant professor, Ph.D. Her main research interests cover interactive media art, physical based simulation and animation. E-mail：yongningbrg@qq.com

王建民(1973–)，男，内蒙古包头人，教授，博士。主要研究方向为交互设计。E-mail：wangjianmin@tongji.edu.cn

WANG Jian-min (1973–), male, professor, Ph.D. His main research interest covers interactive design. E-mail：wangjianmin@tongji.edu.cn