[论文解读] Manifest the Invisible: Design for Situational Awareness of Physical Environments in Virtual Reality

Zhenyi He, Fengyuan Zhu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2018

Virtual Reality Applications and Impacts参考文献 23被引用 7

一句话总结

本文提出了五种环境表现形式——索引性、象征性及带有积极、中性或消极情绪的图像性表现，以在不破坏沉浸感的前提下提升用户在虚拟现实中的物理环境情境意识。结果表明，更高的生动性可提升情境意识，具有情感唤起作用的设计能增强参与度，而与虚拟场景一致的设计则能减少沉浸感断裂。

ABSTRACT

Virtual Reality (VR) provides immersive experiences in the virtual world, but it may reduce users' awareness of physical surroundings and cause safety concerns and psychological discomfort. Hence, there is a need of an ambient information design to increase users' situational awareness (SA) of physical elements when they are immersed in VR environment. This is challenging, since there is a tradeoff between the awareness in reality and the interference with users' experience in virtuality. In this paper, we design five representations (indexical, symbolic, and iconic with three emotions) based on two dimensions (vividness and emotion) to address the problem. We conduct an empirical study to evaluate participants' SA, perceived breaks in presence (BIPs), and perceived engagement through VR tasks that require movement in space. Results show that designs with higher vividness evoke more SA, designs that are more consistent with the virtual environment can mitigate the BIP issue, and emotion-evoking designs are more engaging.

研究动机与目标

• 解决在沉浸式VR体验中维持用户对物理周围环境的情境意识这一关键挑战，以预防安全事故和心理不适。
• 缓解增强现实世界意识与保持虚拟现实沉浸感之间的权衡。
• 探索如何利用美学维度（生动性与情绪）来设计VR中物理元素的环境化表现形式。
• 评估不同表现保真度对情境意识、沉浸感断裂（BIPs）及VR任务中感知参与度的影响。
• 为将物理环境元素整合进虚拟场景以增强环境与社会沉浸感提供设计指南。

提出的方法

• 基于生动性（索引性、象征性、图像性）与情绪（积极、中性、消极）两个维度，结合美学理论，设计五种表现保真度。
• 将这些设计实现为在VR环境中将物理物体与人物呈现为虚拟实体，使其融入场景的视觉与情感语境。
• 开展一项包含25名参与者的被试内用户研究，参与者需执行涉及移动与交互的空间VR任务。
• 通过任务表现与自评测量情境意识，通过标准化量表测量沉浸感断裂（BIPs），通过自评测量感知参与度。
• 系统比较五种设计在三项指标上的表现，以评估生动性与情绪效价的影响。
• 分析定性反馈，以理解用户对真实感、可信度以及情绪设计带来的干扰的感知。

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境化表现中，不同生动性水平（索引性、象征性、图像性）如何影响用户在VR中对物理环境的情境意识？
• RQ2 情感唤起设计（积极、中性、消极）在多大程度上影响VR中的沉浸感断裂（BIPs）与用户参与度？
• RQ3 设计与虚拟环境之间的一致性如何影响真实感感知与用户沉浸感？
• RQ4 情感化表现是否能在引发分心或BIPs风险的情况下仍增强用户参与度？
• RQ5 情绪效价（积极 vs. 消极）在用户识别与响应VR中物理环境元素方面起到何种作用？

主要发现

• 生动性更高的设计——尤其是索引性与图像性表现——显著提升了用户在VR中对物理元素的情境意识。
• 与虚拟环境视觉与语境基调更一致的设计减少了沉浸感断裂（BIPs）的发生，表明其与虚拟场景的整合更佳。
• 具有情感唤起作用的设计（积极与消极）相比中性设计，显著提升了感知参与度，尽管情绪效价对BIPs或情境意识无显著影响。
• 参与者报告称，情感化设计更能吸引注意力，有时导致分心，部分用户最初因感到焦虑或好奇而误判其为物理对象。
• 象征性（SYB）设计被认为真实性较低且更模糊，导致初期产生困惑，但用户随时间适应，表明可信度随熟悉度提升。
• 索引性表现（IDX）因与真实物理物体高度相似，最有效地实现了即时识别与情境意识，尽管部分用户因其逼真度带来的诡异感而感到不适。