基于認知和情緒的虛擬現(xiàn)實競技游戲用戶體驗研究

張靜紅， 張宜靜,2*， 馮帆， 秦闊

(1.北京建筑大學機電與車輛工程學院， 北京 102616； 2.清華大學工業(yè)工程系， 北京 100084)

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)是以計算機技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技技術(shù)，將用戶產(chǎn)生的視覺、聽覺、觸覺等集成到虛擬環(huán)境中，利用自然世界與虛擬物體進行交互，從而產(chǎn)生對環(huán)境的感覺和體驗[1]。VR技術(shù)逐步應用到不同的領域，如在藝術(shù)設計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)被應用到室內(nèi)設計研究中，使得設計作品的時間、成本及質(zhì)量管理得到更優(yōu)化的配置，提升了設計產(chǎn)品整體空間效果及設計師的整體把控能力[2]；文化研究中，趙鴻凱等[3]提出了一種新的基于VR技術(shù)的歷史街景重現(xiàn)技術(shù)，能夠高效、高精度、高完整性的實現(xiàn)歷史街景的重現(xiàn)；此外，VR技術(shù)應用到游戲領域，成為 VR 技術(shù)發(fā)展的主要動力之一[4]。

臨場感是理解人機交互的重要因素，也是VR的主要特征之一。Hyunjeong[5]研究了情緒和認知過程及臨場感來分析和評價VR技術(shù)對旅游產(chǎn)品的影響，表明認知和情緒過程與臨場感相互影響，情緒過程和臨場感之間的相關關系更強；Makransky等[6]研究了傳統(tǒng)電子游戲中的臨場感，并且基于臨場感理論開發(fā)了測量臨場感的量表。Denisova等[7]通過研究傳統(tǒng)電子游戲中的認知和情緒挑戰(zhàn)，開發(fā)了可供游戲開發(fā)者和研究者用來量化用戶體驗的量表。VR 游戲是傳統(tǒng)游戲的未來發(fā)展方向，有前所未有的臨場感與反饋及時的交互性[8]，因此對VR游戲臨場感的研究是非常必要的。

游戲體驗是游戲開發(fā)和發(fā)展的關鍵組成部分[9]，目前已經(jīng)有較多針對傳統(tǒng)電子游戲的研究，但是對VR游戲的研究非常有限[10]，主要在教育[11]、醫(yī)療和心理學[12]等領域進行研究。此外，臨場感是VR技術(shù)的主要特征，因此，對VR產(chǎn)品的用戶體驗研究必不可少。為此，以一款VR競技游戲為例，將其應用到VR游戲用戶研究中，基于游戲中用戶的情緒和認知過程，研究用戶在游戲中的臨場感，為VR競技游戲的改進或設計提供參考，以此來提升VR游戲的用戶體驗。

1 臨場感、認知和情緒

在用戶體驗的背景下，存在是描述VR環(huán)境最重要的概念，是情緒在虛擬環(huán)境中發(fā)生的先決條件和必要中介[13]。存在是指感知環(huán)境的自然體驗，當通過諸如VR等媒介感受到虛擬環(huán)境時，它就被稱為臨場感[5]。電子游戲發(fā)展的主要驅(qū)動因素之一是沉浸感，而在討論虛擬現(xiàn)實的各方面時，沉浸感和臨場感被認為是相關的[10]，高度逼真的臨場感是VR游戲的主要特征之一[14]，所以臨場感的構(gòu)建對于VR游戲的設計和評價具有重要的現(xiàn)實意義。

對使用信息和設備技術(shù)發(fā)生的認知和情緒過程進行分析，是了解人與設備技術(shù)之間產(chǎn)生相互聯(lián)系的重要途徑[15]，站在用戶體驗的角度，對產(chǎn)品試驗和評價也至關重要[16]。在游戲設計中，游戲?qū)φJ知的影響是游戲設計的重要部分，如將游戲用于娛樂或教育方面等領域時，首先要考慮如何塑造用戶的認知能力[17]。有研究表明動作視頻游戲能夠影響用戶的認知能力[18]，所以可以通過測量游戲?qū)τ脩粽J知能力的影響來研究用戶體驗。情緒是在短期內(nèi)表現(xiàn)出的一種情感反應[19]，是對系統(tǒng)有意義事件的主觀解釋的結(jié)果[20]，是協(xié)調(diào)生理、認知、動機、行為和主觀反應的模式，可以提高應對適應性挑戰(zhàn)的能力[21]。情緒在游戲的用戶體驗中起著關鍵作用，無論是只為娛樂目的而開發(fā)的游戲，還是應用于教育、培訓、評估、治療或康復的游戲[22]。VR技術(shù)被認為是操縱和跟蹤用戶情緒的有用工具之一，為用戶提供一種臨場感[9]。VR游戲中的臨場感，使用戶產(chǎn)生了與交互過程相關的情緒體驗[23]，但是情緒的不可觸摸和難以測量，使VR技術(shù)對情緒的影響遠未明確[24]。

2 游戲中的參與和挑戰(zhàn)

參與是一種心理狀態(tài)，指將注意力集中在有刺激的活動或事件上[25]。參與發(fā)生在各種活動或事件中，由活動或事件吸引和保持觀察者注意力的程度來衡量。挑戰(zhàn)是一種多方面的體驗，也是許多游戲整體享受的核心，研究游戲挑戰(zhàn)是如何形成的，并將其與其他用戶體驗聯(lián)系起來，能夠設計出更多樣化、更豐富的用戶體驗[7]。目前對于VR游戲中參與和挑戰(zhàn)的研究比較零散[10]，所以本研究將通過研究用戶在認知和情緒中的參與和挑戰(zhàn)程度，并與臨場感聯(lián)系起來，以探索用戶的認知和情緒反應。

3 方法

3.1 參試者

90后人群不同于上代人生活的環(huán)境與模式，見證了電腦、手機和中國互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，《城市畫報》的調(diào)查顯示，除去必需的生活消費，90后人群購買數(shù)碼產(chǎn)品費用比例近40%[26]，這類人群是VR產(chǎn)品市場最有可能的消費群體，因此以90后人群為參試者。本實驗總共招募了10位參試者，3位女生，7位男生。參試者年齡在24～26歲的理工科在校研究生。

3.2 設備和游戲

HTC公司、SONY公司和Oculus公司率先發(fā)布了 VR 游戲的頭顯設備，此后其他公司也相繼發(fā)布了 VR 相關設備以及 VR 游戲。HTC公司的 VIVE有Lighthouse技術(shù)，追蹤更加精準，但頭顯與計算機相連的線纜仍然提醒用戶與電腦捆綁在一起；SONY公司的PS VR無需高端計算機，只需一臺PS4即可，但它只有一個傳感器，大多數(shù)的PS VR體驗需要用戶坐或站著完成；目前來說較好的是Oculus公司，將豐富的游戲、Touch手柄、較為靈活的運動空間以及較強的追蹤能力綜合在一起，使得它能為用戶提供較強的虛擬現(xiàn)實體驗。因此選取Oculus Quest一體機為VR設備。就目前發(fā)布的VR游戲來看，拳擊、射擊、模擬生存等競技類游戲占據(jù)了主要的游戲市場[4]，因此選用競技類游戲中的拳擊游戲作為實驗游戲。Creed:RisetoGlory是VR單人拳擊游戲，采用現(xiàn)實主義游戲模式，較之其他VR拳擊游戲，運動機制增加了多次揮拳后的“模擬疲勞”設定，為用戶打造了更加真實的游戲體驗，選取Creed:RisetoGlory為實驗游戲。

3.3 任務場景

在Creed:RisetoGlory游戲中場景可劃分為攻擊狀態(tài)場景(場景1)、防御狀態(tài)場景(場景2)、被擊中狀態(tài)場景(場景3)和“回血”狀態(tài)場景(場景4)，如圖1所示。

場景1[圖1(a)]是游戲中的“自己”進攻或者擊中游戲?qū)κ值臓顟B(tài)，當擊中游戲?qū)κ謺r用戶能夠聽到游戲?qū)κ值拇⒒蛘呱胍?，在虛擬畫面中會有紅色的光顯示對手被擊中，擂臺下面的觀眾會大聲歡呼。場景2[圖1(b)]中“自己”雙拳擋住頭部為防御姿勢，防御姿勢能夠降低對手進攻的傷害，在防御狀態(tài)下被擊中時，虛擬畫面會出現(xiàn)紅色的光環(huán)，手柄也會有震動反饋。當用戶在沒有防御的狀態(tài)下被攻擊則會被擊中，此狀態(tài)場景為場景3[圖1(c)]。在擊中的時候手柄會產(chǎn)生震動，并且會聽到游戲中的“自己”的喘息，并且游戲畫面會變?yōu)楹诎咨潜粨糁械狞c為紅色，造成強烈的視覺效果。場景4[圖1(d)]中游戲設定被擊倒后可以通過前后擺動雙臂使游戲中的角色重新站起來，用戶會聽到裁判的倒計時聲音，在倒計時期間，用戶需要迅速并且連續(xù)的前后擺動雙臂，擺動越頻繁，游戲中的“自己”重新站起來的概率越大，如果倒計時結(jié)束仍然沒有站起來，則游戲結(jié)束。

圖1 四種游戲場景

3.4 數(shù)據(jù)收集

實驗結(jié)束后，對參試者進行訪談，收集參試者對于游戲的認知、情緒和臨場感的主觀評價。訪談的目的是分析參試者對VR游戲的認知、情緒反應和臨場感體驗，評估他們對虛擬環(huán)境交互的主觀感受。為了達到評估目標，完成以下問卷：① 游戲情緒量表(game emotional scale, GES)[23]：根據(jù)是否滿足期望的期望，將情緒分為：積極情緒(快樂、幽默、友好和幸福)，消極情緒(恐懼、焦慮、憤怒、悲傷、排斥和羞恥)和中立的情緒(驚喜、希望和同情心)，該量表主要用于測量參試者在不同游戲場景中的情緒狀態(tài)和情緒參與程度；② VACP理論改編問卷:測量參試者在游戲過程中4個交互通道的注意力資源占用情況，以衡量參試者的認知參與程度[27]；③認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)量表：截取游戲交互量表(game interaction scale, GIS)[7]的認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)問卷來衡量游戲中克服當前局限性的挑戰(zhàn)，評估參試者在游戲中的認知和情緒挑戰(zhàn)以及挑戰(zhàn)的程度；④多維存在性量表(multidimensional presence scale, MPS)[6]：該問卷用來評估參試者在虛擬環(huán)境中自我、物理和社會3個維度的臨場感程度。以上量表信效度已通過驗證[23,27]。

GES和根據(jù)VACP理論的問卷使用在4個任務場景中，GIS截取的問卷和MPS衡量參試者對于整體游戲的認知、情緒反應以及臨場感體驗程度。問卷在結(jié)束游戲的時候使用，要求參試者根據(jù)他們在游戲過程中的體驗進行打分，每個問題都采用10分制進行打分，表示參試者對問題陳述的認同程度。

3.5 實驗流程

實驗分為教學階段和正式游戲階段，教學階段是參試者按照VR游戲教學引導使用手柄完成指定動作，完成教學任務后即可進入游戲階段。游戲采取晉級賽制，總共三輪：第一輪/第二輪勝利即可進入第二輪/第三輪，第一輪/第二輪失敗比賽結(jié)束。游戲中使用 VR游戲手柄充當拳擊手套與游戲角色進行互動，允許參試者在劃定的區(qū)間內(nèi)自由活動。在實驗過程中，為了保證觀察到參試者行為的有效性，本實驗要求實驗人員給與參試者最低程度的幫助，同時也避免其他外界干擾。實地觀察以及記錄參試者的反應，游戲結(jié)束后進行問卷調(diào)查。實驗場景如圖2所示。

圖2 實驗場景

4 結(jié)果和討論

4.1 認知參與和情緒參與

Wickens等[28]提出了多資源理論，認為人具有不同的注意力資源，它們具有一定的容量也可能發(fā)生超載，并將人的注意力資源分為四類：視覺 (visual)、聽覺 (auditory)、認知 (cognitive) 和精神運動 (psychomotor)，簡稱VACP。

按照多資源理論VACP從視覺、聽覺、分析判斷以及控制4個通道來評估一個任務執(zhí)行過程中的資源占用情況，以此來衡量參試者的認知參與程度。如圖3所示，4個場景中被擊中狀態(tài)場景(場景3)的聽覺通道得分8.4最高，在防御狀態(tài)場景(場景2)和“回血”狀態(tài)場景(場景4)的視覺通道得分最高為8，在“回血”狀態(tài)場景中，參試者的分析判斷的得分最低為3.7，其次是該場景下的控制得分4.6。在整體游戲中視覺和聽覺通道資源占用量較多，而控制運動和分析判斷比視覺和聽覺得分較低，表明分析判斷和控制資源占用量較少。

圖3 認知參與得分條形圖

如圖4所示，不同的游戲場景有不同的情緒狀態(tài)及參與程度。在攻擊狀態(tài)場景(場景1)和“回血”狀態(tài)場景(場景4)中3種情緒參與比重相當，攻擊狀態(tài)場景中的3種情緒得分都在7以上，在場景4中，中立情緒得分最高；在防御狀態(tài)場景(場景2)和被擊中狀態(tài)場景(場景3)下無中立情緒的參與，參試者消極情緒占比較大且得分較高。4個場景中消極情緒均占比30%以上，尤其是在防御和被擊中狀態(tài)場景下占比超過了50%且得分較高，是主要情緒表現(xiàn)。出現(xiàn)消極情緒的原因可能有：① 恐懼、焦慮等消極情緒的閾值較低，喚醒此類情緒的成本較小[29]；②游戲難度較大造成心理壓力從而導致焦慮、恐懼等消極情緒的出現(xiàn)。雖然參試者感受到了消極情緒，但并不影響參試者完成實驗，相反能夠更加積極地參與游戲。

圖4 4種狀態(tài)場景平均得分及百分比圖

4.2 認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)

在整體游戲體驗測量中，認知挑戰(zhàn)、情緒挑戰(zhàn)和臨場感描述性統(tǒng)計如表1所示。

表1 描述性統(tǒng)計

認知挑戰(zhàn)是指對用戶的記憶力、觀察力和解決問題的能力的挑戰(zhàn)[7]，通常為了獲得游戲勝利，用戶需要具備良好的空間和邏輯推理能力、決策能力和計劃能力，以達到認知挑戰(zhàn)的要求。情緒挑戰(zhàn)是指用戶面對逼真的游戲場景、扮演鮮明的游戲角色經(jīng)歷引人入勝的故事時的感受，游戲中的情緒挑戰(zhàn)能夠反映游戲情節(jié)或故事的趣味性。在本游戲中的認知挑戰(zhàn)主要是解讀、預測對手的行為并且在瞬間做出決策，而情緒挑戰(zhàn)則是參試者在整體游戲中的對于故事和場景的情緒體驗。由表1可知，認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)的平均得分分別為7.72和8.00，對于10名參試者來說此款游戲的認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)程度較大。由圖5可知，10名參試者的對于游戲的認知和情緒挑戰(zhàn)感受程度不一，但大部分參試者的情緒挑戰(zhàn)大于認知挑戰(zhàn)。

圖5 認知挑戰(zhàn)和情緒挑戰(zhàn)得分折線圖

4.3 臨場感

如圖6所示，40%的參試者臨場感得分大于7，臨場感較好。根據(jù)圖5可知，3號參試者的認知挑戰(zhàn)得分高于情緒挑戰(zhàn)得分。

圖6 臨場感得分條形圖

由于用戶技能和游戲難度的平衡是決定認知挑戰(zhàn)的關鍵因素之一，當游戲難度與技能水平之間相對平衡時，用戶會感到更加沉浸，所以對于3號參試者來說由于技能水平和游戲難度不匹配，所以認知挑戰(zhàn)較大，導致臨場感降低。對于5號參試者來說，VR眼鏡太重并且伴有眩暈的生理反應所以臨場感較差。

根據(jù)Lee[30]的觀點，真實體驗和虛擬體驗都可以分為：物理、社會和自我3個領域。在VR環(huán)境中物理存在主要是用戶在虛擬環(huán)境中體驗的直觀感覺程度、控制并主動搜索和操縱對象的體驗程度，在此維度下用戶注意力集中在控制和導航的環(huán)境中。如圖7所示，60%的參試者物理存在得分大于6.5，說明在此款游戲中，用戶的直觀感覺以及在虛擬環(huán)境中的主動行為比較積極，大多數(shù)參試者能夠進行控制操作并且將注意力集中在游戲環(huán)境中。社會存在是指用戶對在虛擬環(huán)境中的人的普遍存在感、體驗到的虛擬化身的可信程度以及與虛擬環(huán)境中的人的互動感受程度。70%的參試者的社會存在得分大于等于物理存在和自我存在的得分。說明在當前的VR游戲環(huán)境中，參試者的社會存在感覺最好，證明虛擬的“對手”對參試者而言有直觀的存在感，并且與其能進行積極主動的互動。自我存在是用戶在虛擬環(huán)境中對自己的直覺、真實身體和虛擬化身作為一個整體以及用戶在其虛擬化身上發(fā)生的相應事件而產(chǎn)生的某種情緒體驗的程度。對于60%的參試者來說，自我存在得分大于7，有比較好的自我存在體驗，說明大部分參試者在虛擬環(huán)境中對自己的直覺以及虛擬化身的情緒體驗程度良好。

圖7 臨場感三維度得分條形圖

4.4 認知、情緒和臨場感的相關性研究

研究臨場感是測試VR設備重要途徑，所以研究臨場感與認知和情緒的關系能夠為提高用戶體驗以及對于VR游戲的產(chǎn)品的設計具有重要研究意義。利用IMB SPSS 24對問卷數(shù)據(jù)進行相關性分析，得到表2、表3數(shù)據(jù)。

表2 認知參與、情緒參與和臨場感的相關性

表3 認知挑戰(zhàn)、情緒挑戰(zhàn)與臨場感的相關性

由表2可得，臨場感與情緒參與的皮爾遜相關系數(shù)為0.770，并且顯著性系數(shù)小于0.01，為顯著強相關，而認知參與和臨場感顯著性系數(shù)0.165，認知參與和情緒參與的顯著性系數(shù)為0.352，所以認知參與和情緒參與和臨場感無顯著相關性。數(shù)據(jù)表明臨場感和情緒參與相互影響，高度臨場感會使情緒參與程度增加，而情緒參與提高也會導致臨場感的提升。

由表3可知認知挑戰(zhàn)和臨場感顯著性系數(shù)為0.468，情緒挑戰(zhàn)和臨場感的皮爾遜相關系數(shù)為0.717，顯著性系數(shù)為0.020，所以認知挑戰(zhàn)和臨場感相關性不顯著，而情緒挑戰(zhàn)和臨場感的顯著性系數(shù)小于0.05，具有顯著正相關性，即臨場感的波動和情緒挑戰(zhàn)的變化會相互影響，臨場感越強，則情緒挑戰(zhàn)越高。Makransky等[6]研究發(fā)現(xiàn)，情緒連接是自我存在的核心，自我存在感受越好用戶對于游戲的情緒體驗就越高，即臨場感得分越高用戶的情緒體驗感越強，這也是用戶情緒參與和情緒挑戰(zhàn)得分較高的原因。

4.5 討論

競技類游戲中更注重情感體驗，研究結(jié)果表明情緒參與和情緒挑戰(zhàn)得分高于認知參與和認知挑戰(zhàn)。研究顯示用戶的情緒參與大多是負面的，雖然有學者認為競技類游戲設計主要是喚醒用戶的正面情感，但是Forgas[31]提出了在消極情緒下能夠關注記憶到更多細節(jié)，促進信息的調(diào)節(jié)加工。

游戲過程中參試者分析判斷和控制通道資源占用較少，意味著記憶負擔較小，能夠控制游戲操作；視覺和聽覺通道的資源占用量較大，主要是VR技術(shù)增強了視覺反饋從而喚醒了用戶的視覺興奮點[32]，而聲音被用來創(chuàng)造和增強游戲氛圍，使用戶更加專注和投入。許多研究人員專注于增強視力，以獲得合理的可視化和動畫。此外，聽覺也成為增強VR游戲臨場感的因素之一[33]。

相關性研究表明，情緒反應與臨場感具有顯著強相關性。VR環(huán)境增強了視覺和聽覺反饋使參試者處于高度逼真的游戲氛圍中，而且在游戲中體驗到的負面情緒會導致高感知的情緒挑戰(zhàn)，根據(jù)“心流”理論，當逐漸發(fā)展的技能遇到恰當程度的挑戰(zhàn)時，就會出現(xiàn)強烈的沉浸狀態(tài)[34]，身臨其境的感覺不僅是由臨場感引起的，情緒也可能起到重要作用[35]，所以在VR環(huán)境中，臨場感和情緒之間相互影響。

5 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析和討論，得出以下結(jié)論。

(1)相對于認知反應，VR競技游戲會導致更加強烈的情緒反應，其中消極情緒參與程度較大，但在參與者可接受的范圍內(nèi)。因此，在VR競技游戲設計中游戲內(nèi)容應該強調(diào)情緒吸引力，加強情緒導向設計，減少認知負荷、引起適當?shù)南麡O情緒來提高游戲的情緒挑戰(zhàn)。

(2)人的視覺的主動性很強，在觀察某個事物的時候會自動搜索自己感興趣的部分，尤其是在VR環(huán)境中高度逼真的游戲場景使用戶視覺吸引力增強導致情緒投入，而聽覺是除了視覺之外最重要的感知覺信息，在游戲中聲音反饋有助于營造更加逼真的游戲氛圍以及動作感知回路的整合。因此，在進行VR競技游戲設計時設計者應當利用視覺的特點，使用恰當?shù)囊魳繁尘昂吐曇籼崾緺I造游戲的情境氛圍，引導用戶融入其中，產(chǎn)生更強烈的情緒反應。

(3)相關性研究表明，VR競技游戲環(huán)境中用戶的情緒反應與臨場感顯著相關，在設計VR競技類游戲時可以利用臨場感特性，創(chuàng)建高度的臨場感環(huán)境來誘導用戶的情緒反應，讓用戶產(chǎn)生情感共鳴，從而創(chuàng)造更加身臨其境的用戶體驗。

認知和情緒研究是用戶體驗研究中重要的因素，VR的多通道交互創(chuàng)造了身臨其境的使用感受，也使用戶的認知和情緒反應更為復雜。因此，在研究或開發(fā)VR競技游戲產(chǎn)品時應考慮用戶的認知和情緒。本研究主要的局限是實驗樣本量較小，在后續(xù)工作中可進行大樣本補充。此外，對認知、情緒和臨場感的測量都是通過主觀問卷，在未來的研究中，可以增加定量的客觀測量方法，采用生理神經(jīng)指標如心電、眼動或腦電指標等。