网络连通性的沉浸式协同分析:CAVE还是头戴式设备?(Immersive Collaborative Analysis of Network Connectivity: CAVE-style or Head-Mounted Display?)

传统的CAVE沉浸式虚拟现实环境,在可视化协同分析中可以有效地帮助多用户理解数据,分享意见,对于多领域的合作者有重要意义,在科学可视化领域有很多相关研究,而其缺点是造价昂贵。随着近年来头戴式设备(HMDs)技术的迅猛发展,诸如Oculus Rift,HTC Vive等头戴式设备的价格有所降低,使它们成为了一种更加经济的替代可能。由此产生了一个问题,在沉浸式可视化的协同分析中,我们是否还需要如此高昂的CAVE设备呢?

这篇文章[1]选择了在沉浸式协同分析中鲜有相关工作涉及的抽象网络数据,通过比较CAVE和HMDs在完成图连通性探索任务时的性能表现,合作效果和用户体验三个方面,进而得出结论:1)在完成任务的时间和肢体交互方面,两个平台存在显著差异,HMDs的速度快于CAVE,CAVE的工作量较为不平衡;2)在准确率和合作的程度与种类方面,两个平台没有显著差异。

实验环境

CAVE2

图1,HT(head-tracked)用户(左)与non-HT用户(右)正在观察CAVE2中展示的三维网络。

图1,HT(head-tracked)用户(左)与non-HT用户(右)正在观察CAVE2中展示的三维网络。

CAVE2是由伊利诺伊州芝加哥大学(UIC)的电子可视化实验室(EVL)于2013年发布的大型虚拟现实展示系统。如图1,CAVE2由80台46英寸的高清显示屏(分辨率1368 x 768)组成,半径3.7米,呈马蹄形,水平展示角度为330°,其上安置有多台六自由度(6DOF)追踪检测系统。用户佩戴头部追踪设备与偏光眼镜,手持交互设备(wand),可以在房间中随意走动,并能够与看到的三维虚拟场景进行交互。值得一提的是,场景的渲染以HT用户的视角进行,因此non-HT只能看到基于HT用户视角生成的场景,场景变化不受其控制;此外在用wand进行指向屏幕交互时,non-HT用户的虚拟wand也会发生相应的偏移,这将使得non-HT用户的沉浸感不如HT用户。

Oculus Rift + Leap Motion

图2,a)经过联网配置,用户使用Oculus Rift进行独立探索和合作。b)用户的关注点。

图2,(a)经过联网配置,用户使用Oculus Rift进行独立探索和合作。(b)用户的关注点。

Oculus Rift是一款video see-through的虚拟现实头戴式设备,如图2(a),使用者无法看到周围的真实环境,在设备中的水平视角只有100°,同时结合Leap Motion进行手部动作的检测。每个用户的视野是独立的,可以通过头部转动环视周围,并通过简单的手势与虚拟场景进行交互(佩戴micro-wand用于模拟选中点的操作)。通过连接到同一网络,用户可以得知其他用户的视野区域及其操作,从而进行合作探索。

实验假设

文章从性能表现,合作效果和用户体验三个方面分别提出假设,并由日常经验对结果进行预期。

性能表现(Functionality)

  • 完成任务的时间不同。
  • 准确率不同。

期望看到的结果:

  • 分辨率和屏幕大小影响准确率。
  • 在CAVE2中通过走动改变视角及耦合紧密的合作关系都会影响时间。

合作效果(Collaboration)

  • 由用户填写的问卷结果总结出来的合作策略不同。
  • 通过测量方法在对合作程度进行量化后的结果不同,这点会体现在以下5个方面:共同关注的数量、口头交流的时间、子任务的划分、对领导力的感知以及肢体工作量的平衡性。

期望看到的结果:

  • 由于CAVE2用户能够看见合作者,因此合作会更容易。
  • 由于HMD用户有独立的视野,因此肢体工作量会更加均衡。
  • HT用户比non-HT用户有更多的头部运动。

用户体验(User Experience)

  • 用户对可用性的评估不同。
  • 在CAVE2中,HT用户和non-HT用户的可用性评估也不同。

期望看到的结果:

  • 由于CAVE2中的用户能同时看见现实场景,因此用户会更加满意体验效果。
  • 对于CAVE2中的non-HT用户,会存在自体感知与视觉效果的冲突,因此体验效果要比HT用户差。

实验过程

实验设计与进行

实验邀请34位有计算机学科背景的参与者,把他们分为8组CAVE2和9组HMD测试组,每组两人,在实验之前先要对他们进行领导力的问卷调查,可以帮助决定哪位用户佩戴HT设备,并可用于后期评估。对于3D网络的绘制,由于实验平台的大小不同,因此在HMD中显示的图像是CAVE2中的1/10等比缩放。CAVE2用户可以在房间中自由走动,而HMD则用户需要坐在椅子上。

在实验过程中,用户需要在尽快的时间内合作完成两个图连通性探索任务:

  • Path:找两个节点的最短路径。网络规模:75节点,110-140边。
  • Triangles:数三角形(3顶点完全图)的数目。网络规模:80节点,100-110边。

每个任务中有6组实验,完成后再进行下一个任务。

实验结果测量

对实验结果的测量分为主观和客观两种方式,对于性能表现中的时间和准确率的测量采用客观方式,而后两类假设偏重用户的感觉体验,除了可测量的内容之外,还需要采用问卷调查形式。

其中对于共同关注,提出两种评估方式:

  • 报告共同关注(reported shared focus):用户会在完成后填写关于合作体验的量表(答案设为1-5的等级),并由预设的公式对答案编码成结果,作为报告共同关注(报告策略)。
  • 测量共同关注(measured shared focus):在实验过程中记录的头部运动和声音,对这些数据进行分析,得出量化的共同关注数值,由图3公式计算:
图6,其中FP表示关注点,指用户视截体中包含的点的重心; fd表示不同平台的判断阈值,CAVE2中是116cm,HMD中是11.6cm

图3,sf∈[0,1],其中FP(见图2(b))表示关注点,指用户水平视角60°的视截体中包含的点的重心; fd表示不同平台的判断阈值,CAVE2中是116cm,HMD中是11.6cm; sf是实验时间内所有采样点结果的平均值

结果评估

性能表现

在准确率的均值上,path任务:CAVE2:85%,HMD:78%;triangle任务:CAVE2:69%, HMD:72%。由于用户提供了较多正确结果,分布呈现负偏态分布,因此在比较分布时采用了非参数曼-惠特尼U检验(non-parametric Mann-Whitney U test)。结果表明,在准确率上没有明显差异。

图4,(a)任务平均完成时间,(b)不同策略的时间,(c)CAVE2中HT用户和non-HT用户垂直头动的比较。

图4,(a)任务平均完成时间。(b)不同策略的时间。(c)CAVE2中HT用户和non-HT用户垂直头动的比较。

而在正确结果的时间均值上,如图4(a),path任务:CAVE2:107s,HMD:69s;triangle任务:CAVE2:102s,HMD:71s。结果呈轻微的正偏态分布,在比较分布时使用了平方根变换。结果表明,HMD完成任务的速度明显快于CAVE2。

合作效果

对于合作策略,根据用户问卷编码出的结果将报告策略划分为以下三类:

  1. 共同关注策略(Shard Focus):两人保持对同样区域的关注。
  2. 分治策略(Divide and Conquer):划分子任务分别完成再汇总。
  3. 重复策略(Duplication):各自独立完成任务再比较。

两个任务总结出来的策略类型相同,因此我们以下将策略记作PS1,PS2,PS3,TS1,TS2,TS3,结果如图5。

图4,不同平台和任务下策略的采用率。

图5,不同平台和任务下策略的采用率。

可以看出在path任务中,HMD用户更倾向选择独立的策略;而triangle任务中,用户们都倾向于选择共同关注的策略。

进一步分析策略,共同关注,与完成任务时间的关系,我们发现策略与共同关注存在明显的正相关关系,如图6。策略不会影响准确率,但在path任务中,策略会影响任务完成时间,共同关注的策略要比其他两种独立的策略慢,如图4(b),并且每种策略下HMD的完成时间都比CAVE2更快。

图6,把由报告共同关注算出的策略分组并以散点图的形式绘制在测量共同关注的分布表上。

图6,把由报告共同关注算出的策略分组并以散点图的形式绘制在测量共同关注的分布表上。

用户对于合作效果的自我感知方面,大部分用户对领导力的感知较为模糊;而在子任务的划分上,HMD相对而言不清晰,因为用户有独立的视野;而大部分用户认为HMD的合作不太人性化,因为看不到合作者会让他们觉得很不自然。

对合作时的口头交流的时间进行分析,两个平台没有发现明显差异。

在肢体工作量的平衡性上,两个平台存在显著差异。如图7,头动数据(位置和旋转)的可视化结果显示,在CAVE2中HT用户的垂直头动明显多于non-HT用户;而HMD中两位用户的工作量基本相当。

图7,在triangle任务中头动数据的可视化。(a)HMD中绿色和品红色表示两位用户。(b)CAVE2中红色表示HT洪湖,蓝色表示non-HT用户。

图7,在triangle任务中头动数据的可视化。(a)HMD中绿色和品红色表示两位用户。(b)CAVE2中红色表示HT用户,蓝色表示non-HT用户。

用户体验

用户的评价在两个平台间和HT/non-HT用户之间均没有显著差异。因此实验设计者希望他们能够各抒己见。结果表明,大部分用户对于CAVE2的合作更满意,缺点是HT用户与non-HT用户的视角差异;HMD的缺点是手指位置经常失去检测,在使用时也会感受到轻微的方向感迷失。

局限

文章中指出在实验设计方面还存在以下几点不足:

  • 网络规模较小。
  • 只尝试了force-directed布局。
  • 没有解决HT用户与non-HT用户的视角差异。
  • 参与者的个人背景也存在一定差异。
  • 实验平台不在同一校区,把参与者重新分配存在困难。
  • 没有尝试其他的评估方式。

总结

这篇文章是第一个关于网络连通性的沉浸式协同分析在不同VR平台中差异评估的user study。得出的最主要的结论就是:1)在完成任务的时间和肢体交互方面,两个平台存在显著差异,HMDs的速度快于CAVE,CAVE的工作量较为不平衡;2)在准确率和合作的程度与种类方面,两个平台没有显著差异。

其显著的结果说明,头戴式设备在完成任务的过程中性能优秀,在抽象数据协同分析领域将会被广泛应用。但就现在的技术而言,它还不能完全取代CAVE这种高性能的大型集成显示环境。

随着头戴式设备和增强现实与虚拟现实技术的发展,诸如Hololens这样的高端混合现实设备也已经进入人们的视野,相信头戴式设备今后一定能够在可视化领域带来更加卓越的表现。

References

[1] Cordeil, Maxime, et al. “Immersive Collaborative Analysis of Network Connectivity: CAVE-style or Head-Mounted Display?.” IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics 23.1 (2017): 441-450.

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