张静红， 张宜静,2*， 冯帆， 秦阔

(1.北京建筑大学机电与车辆工程学院， 北京 102616； 2.清华大学工业工程系， 北京 100084)

虚拟现实(virtual reality，VR)技术是以计算机技术为核心的现代高科技技术，将用户产生的视觉、听觉、触觉等集成到虚拟环境中，利用自然世界与虚拟物体进行交互，从而产生对环境的感觉和体验[1]。VR技术逐步应用到不同的领域，如在艺术设计中，虚拟现实技术被应用到室内设计研究中，使得设计作品的时间、成本及质量管理得到更优化的配置，提升了设计产品整体空间效果及设计师的整体把控能力[2]；文化研究中，赵鸿凯等[3]提出了一种新的基于VR技术的历史街景重现技术，能够高效、高精度、高完整性的实现历史街景的重现；此外，VR技术应用到游戏领域，成为 VR 技术发展的主要动力之一[4]。

临场感是理解人机交互的重要因素，也是VR的主要特征之一。Hyunjeong[5]研究了情绪和认知过程及临场感来分析和评价VR技术对旅游产品的影响，表明认知和情绪过程与临场感相互影响，情绪过程和临场感之间的相关关系更强；Makransky等[6]研究了传统电子游戏中的临场感，并且基于临场感理论开发了测量临场感的量表。Denisova等[7]通过研究传统电子游戏中的认知和情绪挑战，开发了可供游戏开发者和研究者用来量化用户体验的量表。VR 游戏是传统游戏的未来发展方向，有前所未有的临场感与反馈及时的交互性[8]，因此对VR游戏临场感的研究是非常必要的。

游戏体验是游戏开发和发展的关键组成部分[9]，目前已经有较多针对传统电子游戏的研究，但是对VR游戏的研究非常有限[10]，主要在教育[11]、医疗和心理学[12]等领域进行研究。此外，临场感是VR技术的主要特征，因此，对VR产品的用户体验研究必不可少。为此，以一款VR竞技游戏为例，将其应用到VR游戏用户研究中，基于游戏中用户的情绪和认知过程，研究用户在游戏中的临场感，为VR竞技游戏的改进或设计提供参考，以此来提升VR游戏的用户体验。

1 临场感、认知和情绪

在用户体验的背景下，存在是描述VR环境最重要的概念，是情绪在虚拟环境中发生的先决条件和必要中介[13]。存在是指感知环境的自然体验，当通过诸如VR等媒介感受到虚拟环境时，它就被称为临场感[5]。电子游戏发展的主要驱动因素之一是沉浸感，而在讨论虚拟现实的各方面时，沉浸感和临场感被认为是相关的[10]，高度逼真的临场感是VR游戏的主要特征之一[14]，所以临场感的构建对于VR游戏的设计和评价具有重要的现实意义。

对使用信息和设备技术发生的认知和情绪过程进行分析，是了解人与设备技术之间产生相互联系的重要途径[15]，站在用户体验的角度，对产品试验和评价也至关重要[16]。在游戏设计中，游戏对认知的影响是游戏设计的重要部分，如将游戏用于娱乐或教育方面等领域时，首先要考虑如何塑造用户的认知能力[17]。有研究表明动作视频游戏能够影响用户的认知能力[18]，所以可以通过测量游戏对用户认知能力的影响来研究用户体验。情绪是在短期内表现出的一种情感反应[19]，是对系统有意义事件的主观解释的结果[20]，是协调生理、认知、动机、行为和主观反应的模式，可以提高应对适应性挑战的能力[21]。情绪在游戏的用户体验中起着关键作用，无论是只为娱乐目的而开发的游戏，还是应用于教育、培训、评估、治疗或康复的游戏[22]。VR技术被认为是操纵和跟踪用户情绪的有用工具之一，为用户提供一种临场感[9]。VR游戏中的临场感，使用户产生了与交互过程相关的情绪体验[23]，但是情绪的不可触摸和难以测量，使VR技术对情绪的影响远未明确[24]。

2 游戏中的参与和挑战

参与是一种心理状态，指将注意力集中在有刺激的活动或事件上[25]。参与发生在各种活动或事件中，由活动或事件吸引和保持观察者注意力的程度来衡量。挑战是一种多方面的体验，也是许多游戏整体享受的核心，研究游戏挑战是如何形成的，并将其与其他用户体验联系起来，能够设计出更多样化、更丰富的用户体验[7]。目前对于VR游戏中参与和挑战的研究比较零散[10]，所以本研究将通过研究用户在认知和情绪中的参与和挑战程度，并与临场感联系起来，以探索用户的认知和情绪反应。

3 方法

3.1 参试者

90后人群不同于上代人生活的环境与模式，见证了电脑、手机和中国互联网的发展，《城市画报》的调查显示，除去必需的生活消费，90后人群购买数码产品费用比例近40%[26]，这类人群是VR产品市场最有可能的消费群体，因此以90后人群为参试者。本实验总共招募了10位参试者，3位女生，7位男生。参试者年龄在24～26岁的理工科在校研究生。

3.2 设备和游戏

HTC公司、SONY公司和Oculus公司率先发布了 VR 游戏的头显设备，此后其他公司也相继发布了 VR 相关设备以及 VR 游戏。HTC公司的 VIVE有Lighthouse技术，追踪更加精准，但头显与计算机相连的线缆仍然提醒用户与电脑捆绑在一起；SONY公司的PS VR无需高端计算机，只需一台PS4即可，但它只有一个传感器，大多数的PS VR体验需要用户坐或站着完成；目前来说较好的是Oculus公司，将丰富的游戏、Touch手柄、较为灵活的运动空间以及较强的追踪能力综合在一起，使得它能为用户提供较强的虚拟现实体验。因此选取Oculus Quest一体机为VR设备。就目前发布的VR游戏来看，拳击、射击、模拟生存等竞技类游戏占据了主要的游戏市场[4]，因此选用竞技类游戏中的拳击游戏作为实验游戏。Creed:RisetoGlory是VR单人拳击游戏，采用现实主义游戏模式，较之其他VR拳击游戏，运动机制增加了多次挥拳后的“模拟疲劳”设定，为用户打造了更加真实的游戏体验，选取Creed:RisetoGlory为实验游戏。

3.3 任务场景

在Creed:RisetoGlory游戏中场景可划分为攻击状态场景(场景1)、防御状态场景(场景2)、被击中状态场景(场景3)和“回血”状态场景(场景4)，如图1所示。

场景1[图1(a)]是游戏中的“自己”进攻或者击中游戏对手的状态，当击中游戏对手时用户能够听到游戏对手的喘息或者呻吟，在虚拟画面中会有红色的光显示对手被击中，擂台下面的观众会大声欢呼。场景2[图1(b)]中“自己”双拳挡住头部为防御姿势，防御姿势能够降低对手进攻的伤害，在防御状态下被击中时，虚拟画面会出现红色的光环，手柄也会有震动反馈。当用户在没有防御的状态下被攻击则会被击中，此状态场景为场景3[图1(c)]。在击中的时候手柄会产生震动，并且会听到游戏中的“自己”的喘息，并且游戏画面会变为黑白色，但是被击中的点为红色，造成强烈的视觉效果。场景4[图1(d)]中游戏设定被击倒后可以通过前后摆动双臂使游戏中的角色重新站起来，用户会听到裁判的倒计时声音，在倒计时期间，用户需要迅速并且连续的前后摆动双臂，摆动越频繁，游戏中的“自己”重新站起来的概率越大，如果倒计时结束仍然没有站起来，则游戏结束。

图1 四种游戏场景

3.4 数据收集

实验结束后，对参试者进行访谈，收集参试者对于游戏的认知、情绪和临场感的主观评价。访谈的目的是分析参试者对VR游戏的认知、情绪反应和临场感体验，评估他们对虚拟环境交互的主观感受。为了达到评估目标，完成以下问卷：① 游戏情绪量表(game emotional scale, GES)[23]：根据是否满足期望的期望，将情绪分为：积极情绪(快乐、幽默、友好和幸福)，消极情绪(恐惧、焦虑、愤怒、悲伤、排斥和羞耻)和中立的情绪(惊喜、希望和同情心)，该量表主要用于测量参试者在不同游戏场景中的情绪状态和情绪参与程度；② VACP理论改编问卷:测量参试者在游戏过程中4个交互通道的注意力资源占用情况，以衡量参试者的认知参与程度[27]；③认知挑战和情绪挑战量表：截取游戏交互量表(game interaction scale, GIS)[7]的认知挑战和情绪挑战问卷来衡量游戏中克服当前局限性的挑战，评估参试者在游戏中的认知和情绪挑战以及挑战的程度；④多维存在性量表(multidimensional presence scale, MPS)[6]：该问卷用来评估参试者在虚拟环境中自我、物理和社会3个维度的临场感程度。以上量表信效度已通过验证[23,27]。

GES和根据VACP理论的问卷使用在4个任务场景中，GIS截取的问卷和MPS衡量参试者对于整体游戏的认知、情绪反应以及临场感体验程度。问卷在结束游戏的时候使用，要求参试者根据他们在游戏过程中的体验进行打分，每个问题都采用10分制进行打分，表示参试者对问题陈述的认同程度。

3.5 实验流程

实验分为教学阶段和正式游戏阶段，教学阶段是参试者按照VR游戏教学引导使用手柄完成指定动作，完成教学任务后即可进入游戏阶段。游戏采取晋级赛制，总共三轮：第一轮/第二轮胜利即可进入第二轮/第三轮，第一轮/第二轮失败比赛结束。游戏中使用 VR游戏手柄充当拳击手套与游戏角色进行互动，允许参试者在划定的区间内自由活动。在实验过程中，为了保证观察到参试者行为的有效性，本实验要求实验人员给与参试者最低程度的帮助，同时也避免其他外界干扰。实地观察以及记录参试者的反应，游戏结束后进行问卷调查。实验场景如图2所示。

图2 实验场景

4 结果和讨论

4.1 认知参与和情绪参与

Wickens等[28]提出了多资源理论，认为人具有不同的注意力资源，它们具有一定的容量也可能发生超载，并将人的注意力资源分为四类：视觉 (visual)、听觉 (auditory)、认知 (cognitive) 和精神运动 (psychomotor)，简称VACP。

按照多资源理论VACP从视觉、听觉、分析判断以及控制4个通道来评估一个任务执行过程中的资源占用情况，以此来衡量参试者的认知参与程度。如图3所示，4个场景中被击中状态场景(场景3)的听觉通道得分8.4最高，在防御状态场景(场景2)和“回血”状态场景(场景4)的视觉通道得分最高为8，在“回血”状态场景中，参试者的分析判断的得分最低为3.7，其次是该场景下的控制得分4.6。在整体游戏中视觉和听觉通道资源占用量较多，而控制运动和分析判断比视觉和听觉得分较低，表明分析判断和控制资源占用量较少。

图3 认知参与得分条形图

如图4所示，不同的游戏场景有不同的情绪状态及参与程度。在攻击状态场景(场景1)和“回血”状态场景(场景4)中3种情绪参与比重相当，攻击状态场景中的3种情绪得分都在7以上，在场景4中，中立情绪得分最高；在防御状态场景(场景2)和被击中状态场景(场景3)下无中立情绪的参与，参试者消极情绪占比较大且得分较高。4个场景中消极情绪均占比30%以上，尤其是在防御和被击中状态场景下占比超过了50%且得分较高，是主要情绪表现。出现消极情绪的原因可能有：① 恐惧、焦虑等消极情绪的阈值较低，唤醒此类情绪的成本较小[29]；②游戏难度较大造成心理压力从而导致焦虑、恐惧等消极情绪的出现。虽然参试者感受到了消极情绪，但并不影响参试者完成实验，相反能够更加积极地参与游戏。

图4 4种状态场景平均得分及百分比图

4.2 认知挑战和情绪挑战

在整体游戏体验测量中，认知挑战、情绪挑战和临场感描述性统计如表1所示。

表1 描述性统计

认知挑战是指对用户的记忆力、观察力和解决问题的能力的挑战[7]，通常为了获得游戏胜利，用户需要具备良好的空间和逻辑推理能力、决策能力和计划能力，以达到认知挑战的要求。情绪挑战是指用户面对逼真的游戏场景、扮演鲜明的游戏角色经历引人入胜的故事时的感受，游戏中的情绪挑战能够反映游戏情节或故事的趣味性。在本游戏中的认知挑战主要是解读、预测对手的行为并且在瞬间做出决策，而情绪挑战则是参试者在整体游戏中的对于故事和场景的情绪体验。由表1可知，认知挑战和情绪挑战的平均得分分别为7.72和8.00，对于10名参试者来说此款游戏的认知挑战和情绪挑战程度较大。由图5可知，10名参试者的对于游戏的认知和情绪挑战感受程度不一，但大部分参试者的情绪挑战大于认知挑战。

图5 认知挑战和情绪挑战得分折线图

4.3 临场感

如图6所示，40%的参试者临场感得分大于7，临场感较好。根据图5可知，3号参试者的认知挑战得分高于情绪挑战得分。

图6 临场感得分条形图

由于用户技能和游戏难度的平衡是决定认知挑战的关键因素之一，当游戏难度与技能水平之间相对平衡时，用户会感到更加沉浸，所以对于3号参试者来说由于技能水平和游戏难度不匹配，所以认知挑战较大，导致临场感降低。对于5号参试者来说，VR眼镜太重并且伴有眩晕的生理反应所以临场感较差。

根据Lee[30]的观点，真实体验和虚拟体验都可以分为：物理、社会和自我3个领域。在VR环境中物理存在主要是用户在虚拟环境中体验的直观感觉程度、控制并主动搜索和操纵对象的体验程度，在此维度下用户注意力集中在控制和导航的环境中。如图7所示，60%的参试者物理存在得分大于6.5，说明在此款游戏中，用户的直观感觉以及在虚拟环境中的主动行为比较积极，大多数参试者能够进行控制操作并且将注意力集中在游戏环境中。社会存在是指用户对在虚拟环境中的人的普遍存在感、体验到的虚拟化身的可信程度以及与虚拟环境中的人的互动感受程度。70%的参试者的社会存在得分大于等于物理存在和自我存在的得分。说明在当前的VR游戏环境中，参试者的社会存在感觉最好，证明虚拟的“对手”对参试者而言有直观的存在感，并且与其能进行积极主动的互动。自我存在是用户在虚拟环境中对自己的直觉、真实身体和虚拟化身作为一个整体以及用户在其虚拟化身上发生的相应事件而产生的某种情绪体验的程度。对于60%的参试者来说，自我存在得分大于7，有比较好的自我存在体验，说明大部分参试者在虚拟环境中对自己的直觉以及虚拟化身的情绪体验程度良好。

图7 临场感三维度得分条形图

4.4 认知、情绪和临场感的相关性研究

研究临场感是测试VR设备重要途径，所以研究临场感与认知和情绪的关系能够为提高用户体验以及对于VR游戏的产品的设计具有重要研究意义。利用IMB SPSS 24对问卷数据进行相关性分析，得到表2、表3数据。

表2 认知参与、情绪参与和临场感的相关性

表3 认知挑战、情绪挑战与临场感的相关性

由表2可得，临场感与情绪参与的皮尔逊相关系数为0.770，并且显著性系数小于0.01，为显著强相关，而认知参与和临场感显著性系数0.165，认知参与和情绪参与的显著性系数为0.352，所以认知参与和情绪参与和临场感无显著相关性。数据表明临场感和情绪参与相互影响，高度临场感会使情绪参与程度增加，而情绪参与提高也会导致临场感的提升。

由表3可知认知挑战和临场感显著性系数为0.468，情绪挑战和临场感的皮尔逊相关系数为0.717，显著性系数为0.020，所以认知挑战和临场感相关性不显著，而情绪挑战和临场感的显著性系数小于0.05，具有显著正相关性，即临场感的波动和情绪挑战的变化会相互影响，临场感越强，则情绪挑战越高。Makransky等[6]研究发现，情绪连接是自我存在的核心，自我存在感受越好用户对于游戏的情绪体验就越高，即临场感得分越高用户的情绪体验感越强，这也是用户情绪参与和情绪挑战得分较高的原因。

4.5 讨论

竞技类游戏中更注重情感体验，研究结果表明情绪参与和情绪挑战得分高于认知参与和认知挑战。研究显示用户的情绪参与大多是负面的，虽然有学者认为竞技类游戏设计主要是唤醒用户的正面情感，但是Forgas[31]提出了在消极情绪下能够关注记忆到更多细节，促进信息的调节加工。

游戏过程中参试者分析判断和控制通道资源占用较少，意味着记忆负担较小，能够控制游戏操作；视觉和听觉通道的资源占用量较大，主要是VR技术增强了视觉反馈从而唤醒了用户的视觉兴奋点[32]，而声音被用来创造和增强游戏氛围，使用户更加专注和投入。许多研究人员专注于增强视力，以获得合理的可视化和动画。此外，听觉也成为增强VR游戏临场感的因素之一[33]。

相关性研究表明，情绪反应与临场感具有显著强相关性。VR环境增强了视觉和听觉反馈使参试者处于高度逼真的游戏氛围中，而且在游戏中体验到的负面情绪会导致高感知的情绪挑战，根据“心流”理论，当逐渐发展的技能遇到恰当程度的挑战时，就会出现强烈的沉浸状态[34]，身临其境的感觉不仅是由临场感引起的，情绪也可能起到重要作用[35]，所以在VR环境中，临场感和情绪之间相互影响。

5 结论

通过数据分析和讨论，得出以下结论。

(1)相对于认知反应，VR竞技游戏会导致更加强烈的情绪反应，其中消极情绪参与程度较大，但在参与者可接受的范围内。因此，在VR竞技游戏设计中游戏内容应该强调情绪吸引力，加强情绪导向设计，减少认知负荷、引起适当的消极情绪来提高游戏的情绪挑战。

(2)人的视觉的主动性很强，在观察某个事物的时候会自动搜索自己感兴趣的部分，尤其是在VR环境中高度逼真的游戏场景使用户视觉吸引力增强导致情绪投入，而听觉是除了视觉之外最重要的感知觉信息，在游戏中声音反馈有助于营造更加逼真的游戏氛围以及动作感知回路的整合。因此，在进行VR竞技游戏设计时设计者应当利用视觉的特点，使用恰当的音乐背景和声音提示营造游戏的情境氛围，引导用户融入其中，产生更强烈的情绪反应。

(3)相关性研究表明，VR竞技游戏环境中用户的情绪反应与临场感显著相关，在设计VR竞技类游戏时可以利用临场感特性，创建高度的临场感环境来诱导用户的情绪反应，让用户产生情感共鸣，从而创造更加身临其境的用户体验。

认知和情绪研究是用户体验研究中重要的因素，VR的多通道交互创造了身临其境的使用感受，也使用户的认知和情绪反应更为复杂。因此，在研究或开发VR竞技游戏产品时应考虑用户的认知和情绪。本研究主要的局限是实验样本量较小，在后续工作中可进行大样本补充。此外，对认知、情绪和临场感的测量都是通过主观问卷，在未来的研究中，可以增加定量的客观测量方法，采用生理神经指标如心电、眼动或脑电指标等。