面向虚拟现实模拟平台的动作编辑系统设计

胡茜雯，杨赫，方海，万千

面向虚拟现实模拟平台的动作编辑系统设计

胡茜雯1，杨赫2，方海1，万千1

（1.广东工业大学，广州 510030；2.北京乐客灵境科技有限公司，北京 100089）

解决体感设计中虚拟现实模拟平台动作设计面临的技术门槛高、动作难以灵活编辑等问题，优化动作设计流程，提高体感设计师的设计质量。通过对现有虚拟现实模拟平台的动作编辑过程和需求进行分析，提出一种非参数化的VR模拟平台动作编辑系统，对动作编辑系统的功能构架、操作流程和软件界面进行设计，实现了VR模拟平台动作设计的非线性编辑和关键信息可视化等功能。所构建的动作编辑系统可以提高设计的可操作性，并有效提升体感设计的质量，论证了新系统的有效性和可行性，探讨了新手和专家体感设计师在借助不同系统进行设计时，设计工效评价的差异，为VR体感设计研究提供了参考和技术支持。

虚拟现实模拟平台；动作编辑；系统设计；体感设计

随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行业对虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）的需求日益旺盛，VR模拟平台作为VR体验的重要载体也随之不断成熟、普及，并广泛应用于工业、科教、医疗、娱乐等领域[1-4]。体感设计指对人体躯体感觉进行设计，是包含触觉、压觉、温觉和本体感觉的总体设计[5]，对模拟平台进行体感设计指对用户体验场景中所感觉的运动状态进行仿真模拟。现有VR模拟平台的动作设计仍存在一定的局限性，常需在动作编辑环节花费较多的精力，且设计质量较依赖设计师的技术水平[6-7]。目前，市场上应用于VR模拟平台的动作编辑系统，主要是通过模拟量采集的方式来实现动作的录入，以配合VR全景影片的情节内容。然而，模拟量输入的设计方式会导致模拟器录入的动作与VR全景影片的同步性存在误差，且后期编辑过程烦琐，对体感设计师的技术门槛要求较高，进而出现VR体感设计的质量可控性差、可操作性低、工作负荷高等问题。在VR体验中，当画面与动作存在误差时，不仅会严重影响体感评价，还容易引起用户的眩晕感[8-9]。为了达到优良的体感体验，需要体感设计师在动作设计时尽可能地和谐与精准[10]。通过对现有VR模拟平台动作编辑设计流程的优化，以及系统可视化设计，可以提高设计操作的有效性和完成质量，降低工作认知负荷，对提高VR体感设计工效具有重要意义。

1 VR动作编辑需求分析

VR模拟平台是指辅助VR头显以增强体感的一系列物理载体，根据情节内容可以是多种形式。在被动式体验中，VR模拟平台主要为座椅、车船等形式，见图1，旨在增强VR全景影片的情景真实感，例如乘坐太空船体验太空漫游，太空船作为VR模拟平台可以随飞行情景完成上升、下降、颠簸等动作[11]。VR模拟平台体感设计的质量直接影响用户体验的效果，尤其在被动式体验中有着突出的作用[12-13]。虽然VR模拟平台的造型形式多样，但实现其运动的机构较为单一，主要为单自由度、三自由度和六自由度模拟平台。在现有VR模拟平台动作设计模式中，仅能通过将模拟器连接电脑进行模拟量储存来实现简单的线性记录功能，无法同时呈现相关信息，而VR模拟平台动作设计是将动作设想通过合理、周密的规划表达出来的复杂过程，动作录制难以一蹴而就，需要对动作数据进行多次编辑、局部调整和反复调用，见图2。

通过对现有VR模拟平台动作设计问题与需求进行调研访谈，可将VR模拟平台动作编辑需求和设计约束总结为以下3个方面：

图1 VR模拟平台的多种形式

图2 以六自由度VR模拟平台动作设计为例

1）关键功能性需求：动作的灵活录制和编辑，编辑动作中可自动同步VR全景影片，实现复杂动作的拆解，并可分别进行非线性化编辑。

2）辅助功能性需求：扩展自建动作素材库，解决现有设计中的数据结构单一、关键信息无法显示、项目文件管理和维护不便等问题。

3）设计约束：该系统需适用于市面上常见的单自由度加旋转模拟平台、多自由度（三自由度/六自由度）加旋转模拟平台、多自由度（三自由度/六自由度）加特效模拟平台等。

可视化是利用计算机图形学和图像处理技术，将抽象数据信息转换成图形或图像，以呈现和实现交互的理论和方法。复杂信息的图形化可以把直观显示和动态交互的特征加以统一，不仅可以使操作者一目了然地掌握主要信息，还可以通过改变图形直接对具体的动作数据进行操作，极大地提高了可操作性和有效性，具有全局审视、增强理解、简化复杂性等优点[14-15]。构建VR模拟平台动作编辑需求与设计的映射关系，旨在明确系统功能与可视化形式，见图3。

图3 VR模拟平台动作编辑需求与设计的映射关系

2 VR动作编辑系统设计

基于以上分析，提出了一种VR模拟平台动作编辑系统（VR Simulation Platform Motion Editor）。

2.1 系统模块设计

该系统的主要组成包括以下4个部分：

1）编辑模块：采用分量曲线编辑形式，简化编辑规则，可删除、复制、剪切、缝合任意动作节段；可自由移动动作时间起止点；可自由缩放动作时长等。

2）保存和调取模块：可建立动作素材库，对已录制的动作片段进行保存，方便遇到类似的设计时可直接进行调取，无需再次录制。

3）信息可视化模块：以轨线形式实时记录动作轨迹，可对每个电动缸进行曲线分量的单独编辑；可对多条轨线进行可见与隐藏设置；可实现运动电动缸的实时状态显示。

4）模拟平台与影片同步模块：开始录制动作时，自动同步VR全景影片播放位置；当移动时间轴上的动作时间点时，VR全景影片画面和VR模拟平台（各电动缸位置）会同步至当前的时间点状态。

将现有VR模拟平台动作设计模式与新系统VR模拟平台动作设计模式进行对比，见表1。

表1 现有模式与新系统对比

Tab.1 Compare existing patterns with new systems

2.2 流程设计

新系统优化了体感设计中VR模拟平台的动作设计流程，见图4。在现有动作编辑流程中，需要同时打开2个软件，并在开始时进行手动同步开始。在整个动作设计过程中，如某个动作或某段动作的节选出现问题，则需要重新进行设计。新系统在开始动作设计时，无需手动同步VR全景影片播放软件和动作录制软件，如某个动作或某段动作的节选出现问题，可仅对部分问题动作进行重新录制或编辑。

2.3 软件操作可视化设计

动作数据可视化是该系统设计的主要对象。动作设计的类型主要包括基础动作和特效动作，其数据呈现具有不同特点。基础动作对应连续数据，主要反映动作在一个连续的时间间隔或者时间跨度上的变化，其特点是能够反映出事物随时间变化的轨迹。特效动作对应分类数据（即开关数据），主要反映在某个时间点或时间跨度上互不相容的类别或属性，其特点是类别或属性的区别显示。区别于现有系统仅能记录数据信息的模式，新系统对连续数据采用分量曲线显示与编辑的形式，分类数据采用块状记录，在当前时间点运行时呈现出闪烁的状态。此外，增加了电动缸状态、外设模拟器连接指示等显示功能，以增强体感设计师在动作设计中对抽象信息的感知。为了实现动作操作的可视化，可以在设计过程中将非结构化数据同时呈现在软件界面中，便于体感设计师选取关键部分和细节，从而提高动作数据编辑的可操作性。

VR Simulation Platform Motion Editor主界面见图5，主要功能分区包括文件信息显示区（图5中的①）、VR全景影片实时显示区（图5中的②）、外设模拟器对应指示区（图5中的③）、电动缸升降模拟显示区（图5中的④）、录制按钮区（图5中的⑤）、特效动作实时显示区（图5中的⑥）、时间轴（图5中的⑦）、动作轨线功能开关（图5中的⑧）以及动作录制曲线实时区（图5中的⑨）。在动作录制曲线实时区域中双击动作轨线，即可进入该条动作的分量曲线编辑页面，见图6。该界面包含编辑功能按键区（图6中的⑩）、时间轴（图6中的⑪）以及分量曲线编辑区（图6中的⑫）。

图4 动作设计流程对比

图5 VR Simulation Platform Motion Editor主界面

图6 VR Simulation Platform Motion Editor曲线分量编辑界面

3 设计工效评价

为了验证所构建的VR模拟平台动作编辑系统（VR Simulation Platform Motion Editor）对设计师设计工效的改善情况，对新手和专家体感设计师在使用现有模式和新动作编辑系统时的有效性、效率、设计质量，以及工作负荷的具体影响等方面进行了相关对比分析。

3.1 被试者

招募了体感设计师20人（男性），其中新手体感设计师10人（具备1～6个月的操作经验），专家体感设计师10人（具备1～2年的操作经验），被试者的平均年龄为27.05岁，标准差（）为2.837。所有被试者均具备独立进行VR模拟平台动作设计操作的能力，右利手，实验前情绪平稳且睡眠充足。

3.2 实验任务与过程

选取内容为“地心探险”的VR全景影片作为编辑素材，全片时长43 s，共16个动作任务，具体包含前倾、后倾、左倾、右倾、晃动等10个基础动作，以及吹风、震股、推背等6个特效动作。被试者首先采用传统VR模拟平台动作设计模式独立完成实验任务，随后对2组被试者进行了相同时间和内容的新系统培训，此后被试者采用新系统独立完成所有的实验任务。传统模式和新系统的实验影片除内容节选不同之外，在时长、任务数量和任务难度上均保持一致，以消除熟悉度对被试者的影响。在每位被试者完成所有的实验任务后，填写主观工作负荷评价问卷。最后，5位专业体感测试人员对每位被试者完成的动作文件进行体感评价。所有实验过程中被试者的操作活动被一台物理监视器全程记录，且对所操作的电脑进行同步录屏。

3.3 设计工效评价指标

为测量新系统对体感设计师设计工效的影响，采用SUMI（软件可用性测试）等常用的系统操作绩效测评指标与测评方法，结合此次实验的目的，最终选择任务完成率、出错次数、特定操作错误次数、任务完成总操作时间、任务完成总操作次数、完成质量和主观工作负荷评价作为评价指标，分别对应有效性、效率、质量以及工作负荷等方面，见表2。

表2 设计工效评价指标

Tab.2 Design ergonomic evaluation index

3.4 实验设备

实验设备主要有1台六自由度手持模拟器、1台六自由度模拟平台、1台安装该软件的台式电脑（Windows 10，64位）以及1副VR头显。

3.5 数据处理结果

采用SPSS 22.0统计软件对数据进行分析。2组数据的均数比较采用独立样本检验，新系统前后数据比较采用配对样本检验。计量资料以均值（标准差）表示，<0.05表示差异有统计学意义。

3.5.1 现有系统的设计工效分析

在使用新系统前，新手组与专家组在任务完成率、出错次数、任务完成总操作时间、任务完成总操作次数、完成质量以及工作负荷指标等方面无显著差异（>0.05）。

2组数据对比分析，见表3。2组任务完成率均为100%，在任务完成总操作时间、总操作次数、出错次数、完成质量等方面呈显著差异（<0.05），新手组的任务完成总操作时间明显高于专家组的任务完成总操作时间，新手组的任务完成总操作次数明显高于专家组的任务完成总操作次数，新手组的出错次数明显高于专家组的出错次数，新手组的完成质量明显低于专家组的完成质量，说明专家体感设计师在操作的有效性、效率和完成质量上都明显优于新手体感设计师，两者还存在一定的差距，新手体感设计师如要达到专家水平还需要投入较多的时间和学习成本。在工作负荷方面，新手组与专家组无显著差异（＞0.05），新手组的工作负荷评价略高于专家组，这可能是由于传统VR模拟平台动作设计模式需要极强的眼手配合能力，同时对手感的要求较高，而新手体感设计师对动作设计了解的时间较短，还不能完全掌控此类操作。

表3 2组前测数据（独立样本t检验）

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

3.5.2 新系统的设计工效分析

在使用新系统后，2组任务的完成率没有变化（均为100%），对其他数据进行对比分析，结果见表4。

表4 2组后测数据（独立样本t检验）

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

在有效性方面，从新手组的前后测数据可以看出，在出错次数和特定操作错误次数（1）方面呈显著差异（0.05），出错次数从使用前的24.20下降至12.9，特定操作错误次数（1）从13.30下降至5.6。对专家组的前后测数据进行分析可知，在出错次数和特定操作错误次数（3）方面呈显著差异（<0.05），出错次数从使用前的24.20下降至12.9，特定操作错误次数（3）从3.30下降至1.5。说明新系统可以明显降低体感设计师的出错次数，且会降低不同层次的体感设计师的部分典型错误，后续研究可深入分析不同设计方式对特定操作错误比率的影响。

在效率方面，从新手组的前后测数据可以看出，在任务完成总操作时间和任务完成总操作次数方面呈显著差异（<0.05），任务完成总操作时间从使用前的1 885.80上升至3 294.3，任务完成总操作次数从使用前的258.70上升至742.1。从专家组的前后测数据可以看出，在任务完成总操作时间和任务完成总操作次数方面呈显著差异（<0.05），任务完成总操作时间从使用前的1 503.20上升至2 593.8，务完成总操作次数从使用前的187.90上升至621.8。说明2组任务在使用新系统后设计时长和操作次数有明显增加，这可能是由于新系统为设计提供了更多的编辑功能，体感设计师在设计中有更多的可选项，会进行多次反复对比。

在完成质量方面，对于新手组，使用新系统前后的完成质量呈明显差异（<0.05），从使用前的 3.09提升至使用后的3.833 2。对于专家组，使用新系统前后的完成质量呈明显差异（<0.05），从使用前的3.45提升至使用后的3.832 8。由此可见，在使用新系统前，新手组与专家组仍有一定差距，但经过培训后，新手组与专家组的完成质量极为接近，都提高到了一个较高的层面。

在主观工作负荷方面，对于新手组，使用该系统前后的主观工作负荷评价呈明显差异（<0.05），从使用前的4.00降低至使用后的2.4。对于专家组，使用该系统前后的主观工作负荷评价呈明显差异（<0.05），从使用前的3.50降低至使用后的2.4。说明新系统可有效降低体感设计师的工作负荷，尤其对新手组的效果更为明显。

综上所述，虽然新系统会使设计时长在一定程度上有所增加，但在提高操作有效性、设计完成质量以及降低工作认知负荷等方面有明显改善。此次研究选取的任务影片时长较短，然而在实际情况中，体感设计师会连续多个小时进行动作设计活动，在长时间的设计作业中操作工效可能会有所差异，可在未来进一步深入研究。

4 结语

VR体感设计作为VR产业发展带动的新领域，在发展中存在一定的局限性。VR体感设计具有载体丰富化、视角多样化和设计过程动态化等特点，其中面向VR模拟平台的动作编辑是VR体感设计中较为常见和基础的一种形式。VR模拟平台的动作设计质量是影响VR体感体验的重要因素之一，通过对现有VR模拟平台动作编辑过程和需求进行分析，提出了一种面向VR模拟平台的动作编辑系统，主要从设计思维与功能架构、操作流程、信息可视化3个方面进行了改进与优化。通过设置2组对比实验，对其新系统的设计工效进行分析，论证了新系统在提高操作有效性、设计质量，以及降低工作认知负荷等方面有明显改善。然而，由于体感设计师自身的学习能力和理解能力存在差异性，所以需要在后续的研究中进行更为深入的量化分析和研究，进一步发掘影响体感设计工效的更深层次的因素。

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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，主要研究方向为工业设计与创意产品。

责任编辑：马梦遥