三维虚拟空间中转头选中远离...靠近运动目标的操作特性差异_邓成龙.pdf

心理学报 2023,Vol.55,No.1,9-21 2023中国心理学会 Acta Psychologica Sinica https:/doi.org/10.3724/SP.J.1041.2023.00009 收稿日期:2021-06-02*中国博士后科学基金项目(2019M661438),国家自然科学基金项目(32100879,32022031),上海市科委基础研究重大项目(19JC1410101)和华东师范大学“幸福之花”基金先导项目(2019JK2203)资助。通信作者:蒯曙光,E-mail: 9 三维虚拟空间中转头选中远离和靠近 运动目标的操作特性差异*邓成龙1 耿 鹏1 蒯曙光1,2(1华东师范大学心理与认知科学学院,脑科学与教育创新研究院,上海市心理健康与危机干预重点实验室,上海 200026)(2上海脑科学与类脑研究中心,上海 200031)摘 要 通过转头选中运动目标是虚拟现实(VR)中的常见操作,然而运动目标包含远离和靠近运动,确定两类操作的时间特性差异对设计高效的用户接口有重要的意义。本研究选取 17 名被试在 VR 中通过转头将球体光标快速准确地放入水平运动的球体目标内,并改变初始距离、目标容差和目标速度。总时间结果显示,远离运动的操作难度更大,初始距离和目标容差对远离和靠近运动的影响相似,目标速度对两类运动的影响相反。进一步将光标的移动过程划分为加速、减速和调整阶段,结果发现,远离运动的加速和减速时间大于靠近运动,但是两类运动的调整时间接近,并且只有目标容差对两类运动的影响一致。最后构建了总时间与三因素的函数模型,成功解释了两类运动的操作时间特性。本研究证明了远离与靠近运动具有不同的操作时间特性,为两类运动的独立交互设计提供了重要参考。关键词 运动目标,转头操作,移动轨迹,人体绩效建模,人机交互 分类号 B849 1 引言 近年来,转头交互已经成为了VR中的重要交互方式,一方面,转头交互是很多不提供交互手柄的便携式VR和AR设备的主要交互方式,比如Samsung GearVR,Google Cardboard和Microsoft HoloLens等(Blattgerste et al.,2018;Pathmanathan et al.,2020);另一方面,在很多VR应用中,转头交互也作为双手被占用时的主要交互方式,比如在虚拟手术训练中通过转头与显示屏交互(Hatscher et al.,2017)。在基于转头交互的大量应用中,经常涉及选中移动目标任务,比如行人、汽车等,为了设计高效的用户接口,了解影响转头选中运动目标的重要因素以及建立操作时间与影响因素的函数关系非常重要。以往研究详细探讨了VR中转头选中静止目标的操作时间特性(Hansen et al.,2018;Hoffmann et al.,2017;Jagacinski&Monk,1985;Qian&Teather,2017),这些研究发现完成时间(MT)与初始距离(A)和目标宽度(W)符合费茨定律：2(2/)MTablogA W=+(1)其中a和b是拟合常数。然而,该模型并不能解释选中运动目标的操作特性,因为选中运动目标的操作时间还受到目标速度大小的影响。此外,运动目标还具有方向性,目标做远离和靠近操作者的运动是两类常见的运动模式,选中远离运动目标(简称远离运动)和靠近运动目标(简称靠近运动)的过程存在不同。在远离运动中,操作者需要以大于目标的速度追击目标;在靠近运动中,操作者则需要对目标进行拦截,如果拦截失败,后续操作将变成追击远离运动目标模式(Port et al.,1997;Tresilian,2005;Tresilian&Lonergan,2002),因此远离与靠近运动可能存在不同的操作时间特性。10 心 理 学 报 第55卷 目前没有发现在三维空间中探讨转头选中运动目标的研究,但是少量研究者探讨了在二维屏幕上基于手控选中运动目标的操作时间特性,然而远离与靠近运动的操作时间特性差异还不确定。远离运动的操作时间特性相对简单,减小目标大小或者增大目标速度都增加操作时间(Hajri et al.,2011;Hasan et al.,2011;Ilich,2009)。然而靠近运动的操作时间特性相对复杂。一方面,一些研究发现靠近运动与远离运动具有相似的操作时间特性,减小目标宽度或者增大目标速度会增加选中靠近运动目标的难度(Hajri et al.,2011;Jagacinski et al.,1980),并且还提出了函数模型量化靠近运动的操作时间特性。比如,Jagacinski等人(1980)让参与者在二维电脑屏幕上使用摇杆控制一条竖直的直线(光标)放入逐渐靠近的由两条竖直直线组成的目标内。他们发现完成时间受到初始距离(A)、目标宽度(W)和目标速度(V)的影响,并建立如下模型描述操作时间与三个因素的函数关系(Jagacinski et al.,1980)：(1)(1/1)MTcdAe VW=+-(2)其中c、d和e是拟合常数。后来Hoffmann在费茨定律基础上,提出了靠近运动的两阶段模型：22/2/MTablogA VKclog WVK=+-(3)其中a、b、c和K是拟合常数,Hoffmann认为2/logA VK+主要反映了移动距离覆盖阶段,而2/2/log WVK-则 反 映 了 调 整 阶 段(Hoffmann,1991)。另一方面,少量研究发现目标速度的增大会减小选中靠近运动目标的难度,与远离运动的结果不同。在Ilich(2009)的硕士论文中提到,被试使用鼠标在电脑屏幕上捕捉在水平方向上移动的圆环,圆环碰到屏幕边缘后将反弹沿着反方向移动。他根据光标和目标在任务开始和结束时的相对位置将选中过程划分为远离运动和靠近运动。他发现当目标为中大尺寸时,随着目标速度的增加,操作时间表现出了先下降后上升的变化趋势(Ilich,2009)。这些研究结果表明靠近运动的操作时间可能受到目标大小和目标速度的交互影响。此外,远离运动与靠近运动的操作难度差异也存在争议。Ilich(2009)的研究显示两类运动的操作难度差异受到目标大小和目标速度的共同影响。当目标移动慢或者快时,远离与靠近运动的操作时间非常接近。但是当目标处于中等速度且目标最小时,靠近运动的操作时间大于远离运动;在其他情况下,远离运动的操作时间则大于靠近运动。然而在后来一项相似的研究中,研究者采用了相同的目标速度和更小的目标尺寸,却没有重复出先前的研究结果。新的研究显示,当目标在水平方向上移动时,远离运动在所有目标尺寸情况下的操作时间都比靠近运动的时间更长(Hajri et al.,2011)。造成两项研究不同结果的原因可能是在他们的任务中,远离与靠近运动过程没有完全分离,他们的结果不能完全反映独立的远离运动与靠近运动的操作时间特性差异。近期,不少研究从其他方面对选中运动目标的操作特性进行了探索,比如Huang等人研究了不同因素对远离运动和靠近运动落点分布的影响(Huang et al.,2018;Huang et al.,2019),不同因素对预估目标到达指定区域的影响(Lee et al.,2018)等,但是这些研究没有探讨两类运动的操作时间变化,由于操作时间是用户接口中最常用的指标,因此本研究主要关注操作时间特性。虽然一些研究关注了操作时间,比如视觉反馈和延时对操作时间的影响(Claypool et al.,2019;Mould&Gutwin,2004),提高选中运动目标操作效率的方法(Gunn et al.,2009;Hasan et al.,2011;Ortega,2013;Ragan et al.,2020)等,但是在这些研究中,目标的运动方向不固定,没有分离远离和靠近运动。至今为止,远离运动与靠近运动的操作时间特性差异还不完全清楚。首先,初始距离和目标大小都是影响选中目标的重要因素,减小目标和增大初始距离都会增加远离和靠近运动的难度,但是两个因素对远离和靠近运动的影响是否存在差异还未可知。其次,虽然已经确定增大目标速度会增加选中远离运动目标的难度,但是目标速度如何影响选中靠近运动目标的表现还没有统一结论。选中静止目标的过程包含两个阶段：弹射阶段和调整阶段。在弹射阶段,光标从起点快速移动到目标附近,主要与初始距离相关;调整阶段则根据视觉反馈实时调整光标的位置并对准目标,同时受到目标大小和初始距离的影响(Deng et al.,2019;Elliott et al.,2001;Liu et al.,2009;Meyer et al.,1988)。一些研究也支持选中运动目标过程包含两个阶段(Hoffmann,1991;Ilich,2009),并且目标速度影响两个阶段。增大目标速度将增加远离运动的实际移动距离和减少靠近运动的实际移动距离,同时也会增加对准目标的难度。基于远离与靠近运动的操作过程差异,我们提出如下推测。推测1:在弹射阶段,靠近运动的操作时间低于远离运动,因为靠近运动的实际移动距离更短;在调整阶段,靠近运动的调整时间也低于远离运动,因为远离运动的目标更远,调整第1期 邓成龙 等:三维虚拟空间中转头选中远离和靠近运动目标的操作特性差异 11 难度更大。基于两阶段的结果,靠近运动的总时间将更低。推测2：随着目标速度的增加,靠近运动总时间呈现先下降后上升的U型变化趋势。增大目标速度减少弹射阶段的时间,但是也增加调整阶段的时间。以往研究显示转头交互具有移动速度慢、稳定性高的特点(Bates&Istance,2003;Deng et al.,2019),因此我们推测,目标速度的小幅度增加对弹射阶段的帮助更大,导致总操作时间下降。但是目标速度进一步增加将导致调整时间快速增加,超过弹射阶段的受益时间,导致总时间开始上升。推测3：靠近运动的U型曲线拐点速度还受到目标大小的影响,目标越小,调整难度越高,拐点速度越小。本研究的目的是探索VR中转头选中远离运动目标与靠近运动目标的操作时间特性差异。本研究采用VR中常见的放置任务,将一个球形光标放入指定的球形目标内(Deng et al.,2019;Duval&Fleury,2009;Teather&Stuerzlinger,2007)。由于放置任务研究显示操作时间受到目标容差(光标与目标的大小差值)而不是目标大小的规律性影响(Deng et al.,2019;MacKenzie&Teather,2012;Pastel,2011),因此我们设置不同的目标容差大小。此外,我们还改变了初始距离(光标与目标中心的直线距离)和目标移动速度。Deng等人(2019)在VR中使用转头交互完成静止目标的放置任务,他们将光标的移动过程划分成加速阶段、减速阶段和调整阶段,其中加速阶段和减速阶段之和代表了弹射阶段(Deng et al.,2019)。在本研究中,我们参照Deng等人的方法将光标的移动过程划分成三个阶段,系统地分析三个因素对远离运动与靠近运动的影响差异。最后,我们提出函数模型描述了远离运动和靠近运动的总操作时间与三个因素的关系,我们的研究结果将对VR中的交互设计提供重要帮助。2 方法 2.1 被试 本研究采用G*Power 3.1软件预估样本大小,水平和统计检验力分别设置为0.05和0.95,根据相关文献中的效应量,取2p 0.2(Deng et al.,2019),计算出最少需要12名被试,同时参考同类研究主要采用1520名被试,因此本实验一共招募了17名大学生(7名男性,年龄：22.5 2.5岁,身高：165.8 6.4 cm)。所有被试均为右利手,身体健康,视力或矫正视力正常,无颈部转动障碍。所有被试在实验前签署了由学校学术伦理委员会批准的知情同意书,且在实验后获得适当报酬。2.2 实验仪器和材料 本研究使用Oculus Rift CV1沉浸式虚拟现实头盔(单眼分辨率：10801200;刷新率：90 Hz;最大视角：110),头盔包含基于惯性测量单元(IMU)的转动传感器和基于红外光学的位置传感器,能够实时获得头的6自由度空间