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蒯曙光研究员课题组在国际工程心理学旗舰期刊Human Factors上发表最新研究成果

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VR中如何设计虚拟商品和购物车的大小?基于移动放置任务的操作特性研究提供了参考意见。

      

1. 虚拟购物(图片来源于网络:https://uploadvr.com/alibaba-vr-shopping/) 

 

       随着近几年VR应用的普及,基于VR的用户接口设计正变得越来越重要,但由于三维空间与二维空间的差异,二维空间的设计标准无法应用到三维空间中,导致VR中的用户接口设计大量缺乏参考标准。VR的远距离移动放置操作作为VR中最基本最常见的操作之一,其操作特性将对VR的应用设计提供重要的参考意见,比如如何设计VR购物中商品和购物车的大小才能提高操作效率(见图1)。移动放置过程定义为将物体从起点移动并完全放入到指定的目标区域内,影响因素包括移动物体大小(OS),移动距离(A)和目标物容差(TT)(见图2b)。经典的菲兹定律(Fitts’ law)描述了点击任务中操作时间(MT)与移动距离(A)和目标物宽度(W)的对数函数关系(Fitts, 1954),如下:

但菲兹定律不能解释放置操作中OS如何影响操作时间,并且当OS不能忽略时,应该用TT代替公式(1)中的W。

      另外一些研究发现,完成点击任务的移动过程主要包括两个阶段:从起点到目标物附近的快速移动阶段和剩下的慢速调整阶段。快速移动阶段主要与移动距离A相关,而慢速调整阶段满足菲兹定律。但是在VR环境中基于放置任务的操作过程的影响因素还不清楚。因此,我院蒯曙光研究员课题组在VR环境中通过手控和头控操作方式完成放置任务,系统探索了整个操作过程的变化情况。

 

2. 实验设置。(a)移动放置任务的影响因素:放置物体大小(OS),移动距离(A)和目标物容差(TT)。(b)实验场景。(c)在虚拟环境中使用手控完成任务的操作示意图。(d)使用头控完成任务的操作示意图。

 

      课题组采用HTC VIVE虚拟现实系统实施实验,该系统包含一个头盔、两个位置追踪器和两个无线手柄,头盔和手柄能够实现6自由度的位置追踪(图2b)。被试的任务是将虚拟环境中左侧的7种不同大小的黄色球体(OS:0.06,0.12,0.18,0.24,0.3,0.36,0.42m)放入到右侧的白色半透明的目标球体内,目标球与移动球体的容差包含3个水平(TT:0.1,0.2,0.3m),移动球体与目标球体的球心距离随机出现在2个水平(A:0.7,1.5m),它们出现在被试正前方2m处,距离地面1.5m高(图2b)。被试通过经典的射线投射(ray-casting)方式,采用手控和头控完成移动任务。在手控任务中,通过手柄前端发出虚拟射线指向移动球体,然后按下手柄背后的触发键选中并移动到目标球体内(图2c)。在头控任务中,通过转动头部控制屏幕中间的光标选中移动球体并移入到目标球体内(图2d)。移动过程中以90Hz的采样率记录了移动球体的轨迹和时间,然后对轨迹进行9Hz的低通滤波去掉手的抖动引起的噪声,并将整个过程划分成三个阶段:加速阶段、减速阶段和调整阶段。加速阶段定义为从开始到速度峰值,减速阶段定义为从速度峰值到减速分界点,该分界点需要满足三个标准之一,剩下的部分为调整阶段(见图3)。本研究对三个阶段操作时间的影响因素单独分析。

 

3. 运动过程的三阶段定义。最大速度点为加速和减速的分界点,减速和调整阶段分界点满足三个标准之一。

 

       基于手控的时间结果显示,加速阶段只受A和OS的影响,加速时间随着A的增大而增大,随着OS的增大而减小。减速阶段只受A的影响,时间变化趋势与加速阶段一致。但调整阶段同时受A,OS和TT的影响,调整时间随着TT的增大而减少,随着A的增大而增大。有意思的是,调整时间随着OS的增大先下降后上升,呈现U字型的变化趋势(见图4)。

 

4. 手控操作中三个阶段的影响因素。加速阶段时间(a)、减速阶段时间(b)和调整阶段时间(c)受移动物体大小(OS)、移动距离(A)和目标物容差(TT)的影响情况。

 

      基于每个阶段不同的影响因素,分别建立了各阶段模型,并通过逐步回归分析方法确定各个因素的贡献。

       在加速阶段,课题组采用菲兹定律中的对数函数描述时间与A的关系,另外使用反函数描述时间与OS的关系,加速阶段模型如下:


该模型能够很好的拟合数据(R2 = 0.942),其中1/OS能够解释79.%的数据,log2(2A)解释另外的15.1%的数据(见图5a)。

 

5. 手控操作中加速阶段(a)、减速阶段(b)和调整阶段(c)的模型拟合结果。

 

       在减速阶段,由于只与A相关,课题组采用公式(3)对结果进行拟合,


该模型能够解释98.0%的数据(见图5b)。

       在减速阶段,由于OS与时间呈现U字型,我们猜测时间与OS满足二次函数关系。另外,课题组发现,当A从0.7m增加到1.5m时(2.14倍),操作时间只增加了65ms,相反,TT从0.2m减少到0.1m时(2倍),操作时间增加了248ms,并不满足菲兹定律(公式1)中A和TT的2倍关系,TT对时间的影响大于A的影响。因此课题组将A和TT拆开成两部分(Gan & Hoffmann, 1988),公式如下:

该模型中log2(TT)解释90.9%的数据,log2(2A)解释4.1%的数据,(OS - 0.18)2只解释2.5%的数据(见图5c),总共解释97.6%的数据。

       为了消除三阶段模型中由于因素过多导致过拟合,课题组取出2/3的被试数据作为训练数据,采用三阶段模型进行拟合,将得到的模型参数预测剩下的1/3数据,并且将这个过程重复1000次。加速阶段、减速阶段和调整阶段的预测结果的平均R2值分别为0.902、0.933和0.912。预测结果只略微低于基于所有数据的模型拟合结果(见图6)。这个结果表明课题组建立的三阶段模型不仅可以用于训练数据,也可以推广到预测数据。

 

图6. 手控操作中三阶段模型对数据的预测结果。虚线表示基于所有数据的模型拟合结果。箱形图表示使用2/3的数据训练的模型对剩下1/3的数据的预测结果分布。盒子从上到下依次为上边缘、上四分位数、中位数、下四分位数和下边缘。

 

       在头控的结果中,课题组观察到加速和调整阶段与手控有相同的影响因素和变化趋势,减速阶段有所不同。头控在减速阶段同时受A和TT的影响,而手控只受A的影响。但是通过逐步回归分析结果显示,log2(2A)解释了94.5%的数据,A仍然是调整阶段的主要影响因素。课题组的研究结果说明三阶段的影响因素和模型不是特有操作方式的结果,而是可以推广到不同的操作方式,但是否符合所有的操作方式比如眼球追踪交互、触摸板交互等,还需要进一步的验证。

       本研究建立的三阶段模型将对VR中基于移动放置操作的应用接口设计,比如虚拟购物,游戏娱乐,虚拟医疗训练、教育、产品营销、虚拟家装等提供量化的操作时间和难度的评价框架,减少产品原型的设计时间,提高设计效率。

       本研究获得了美国人因与功效学会(Human Factors and Ergonomics Society)第62届人因奖(Human Factors Prize)亚军,受邀到62届美国人因与功效学会年会现场报告,目前已被工程心理学权威期刊美国人因与功效学会旗舰期刊Human Factors杂志接收,博士生邓成龙为第一作者,硕士生耿鹏和本科生胡逸斐分列第二和第三作者,蒯曙光研究员为通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(31771209)和国家社会科学基金重大项目(2016YFB0401203)的资助。

 


论文信息:(#第一作者,*通讯作者)

Deng, C(#)., Geng, P., Hu Y., & Kuai S*. (2019). Beyond Fitts’ law: A three-phase model predicts movement time to position an object in an immersive 3D virtual environment. Human Factors. Online. doi: 10.1177/0018720819831517

 

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