本方案阐述了一种用于沉浸式分析的混合现实应用程序的技术设置。在此基础上，介绍了一项研究中所采用的评估方法，以深入了解该技术解决方案的可用性方面。
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摘要
摘要
在医学或工业领域，对高维数据集的分析需求日益增加。然而，现有的技术解决方案往往使用复杂。因此，诸如沉浸式分析之类的新方法备受期待。沉浸式分析有望以便捷的方式，使不同用户群体和各类数据集均能体验高维数据。从技术上讲，沉浸式分析依赖虚拟现实设备来实现。例如，在工业4.0中，识别高维数据集中的离群值或异常情况，正是沉浸式分析所追求的应用场景。在此背景下，针对任何已开发的沉浸式分析技术解决方案，都应解决两个重要问题：第一，该技术解决方案是否具有帮助作用？第二，用户在使用过程中的身体体验是积极还是消极？第一个问题关注技术方案的总体可行性，第二个问题则关注佩戴舒适性。目前，系统性探讨这两个问题的已有研究和方案仍较为罕见。本文提出了一项研究方案，主要针对工业4.0场景下沉浸式分析的可用性进行考察。具体而言，该方案基于四个支柱：第一，根据用户先前的经验对其进行分类；第二，设计一系列任务，用于评估技术方案的可行性；第三，采用若干测量指标，量化用户的学习效果；第四，通过一份问卷 评估用户执行任务时的压力水平。基于这四个支柱，本研究构建了一个技术环境，采用混合现实智能眼镜来实施该研究方案。所开展研究的结果一方面验证了该方案的适用性，另一方面也证实了沉浸式分析在工业4.0场景中的可行性。本文所提出的研究方案还包括对已发现局限性的讨论。
引言
虚拟现实解决方案（VR 解决方案）在不同领域正变得越来越重要。通常情况下，通过使用虚拟现实解决方案（包括虚拟现实、混合现实和增强现实），许多日常任务和操作流程将变得更加便捷。例如，在汽车领域，汽车配置过程可通过虚拟现实1（VR）技术予以支持。研究人员和实践者已在该领域探索并开发了多种方法与解决方案。然而，针对可用性方面的研究仍然较为稀缺。总体而言，相关问题应围绕两个核心问题展开考量：首先，必须评估某种 VR 解决方案是否确实优于不采用 VR 技术的传统方法；其次，由于 VR 解决方案主要依赖于沉重且复杂的硬件设备，诸如佩戴舒适度和认知负荷等参数应得到更深入的研究。此外，上述各项因素始终应结合具体应用领域进行考察。尽管已有大量现有研究认识到探究这些问题的必要性2，但实际提供研究成果的文献仍相对较少。
虚拟现实（VR）领域当前一个重要的研究方向被称为沉浸式分析。该方向源于可视化分析这一研究领域，旨在将人类感知融入分析任务中。这一过程也被称为视觉数据挖掘4。沉浸式分析涵盖了数据可视化、可视化分析、虚拟现实、计算机图形学以及人机交互等多个领域的研究内容5。近年来，头戴式显示器（HMD）技术的进步为以沉浸方式探索数据提供了更好的可能性。伴随这一趋势，新的挑战和研究问题不断涌现，例如新型交互系统的设....
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方案
所有材料和方法均经乌尔姆大学伦理委员会批准，并按照批准的指南进行。所有参与者均签署了书面知情同意书。
1. 建立合适的研究环境
注意：本研究在受控环境中进行 应对复杂的硬件设置。所使用的混合现实智能眼镜（参见 材料表）以及用于二维应用的笔记本电脑 向研究参与者进行说明。
- 每次实验前检查每位参与者的设备技术状态，并设置为默认模式。准备好问卷并放置在参与者旁边。
- 让参与者在一次实验会话中完成异常值检测和聚类识别两个用例中的任务（即平均耗时为43分钟）。
- 通过欢迎参与者并介绍研究目的及整体流程，开始实验。
- 使用皮肤电导测量设备的参与者（见材料表）必须先进行短暂的静息阶段，以获取基线测量值。仅一半参与者使用该设备。
- 所有参与者在实验开始前均需填写状态-特质焦虑量表（STAI）问卷31。
- 随后， 参与者需完成心理旋转测试（见图4，该测试用于评估空间想象能力），以此区分高表现者与低表现者（高表现者为高级用户，低表现者为新手）；之后进行空间听觉测试，以测量参与者空间听觉能力。
注：采用心理旋....
- 随后， 参与者需完成心理旋转测试（见图4，该测试用于评估空间想象能力），以此区分高表现者与低表现者（高表现者为高级用户，低表现者为新手）；之后进行空间听觉测试，以测量参与者空间听觉能力。
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结果
设置实验测量指标
针对离群值检测任务，定义了以下性能测量指标：时间、路径和角度。测量方法详见图6。
记录找到红色标记点（即离群值）所需的时间。该性能指标表示参与者找到红色标记点所需的时间。在结果中，时间以变量“time”表示（单位为毫秒）。
当参与者试图寻找标有红色的点时，记录其行走路径的长度。该计算的基础是所使用的混合现实智能眼镜（见材料表）以每秒60帧的频率采集相对于起始位置的当前三维坐标位置。基于此数据，可计算出参与者行走路径的总长度。该性能指标用于反映参与者行走量的多少。在结果中，该路径长度记为PathLength。基于PathLength，进一步衍生出三个性能指标：PathMean、PathVariance和BoundingBox。PathMean表示参与者每帧行进的平均速度（单位：米/帧），PathVariance表示运动的不规则性，而BoundingBox用于评估参与者是否充分使.......
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讨论
关于所开发的混合现实智能眼镜（参见材料表）应用，有两个方面尤为有益。一方面，空间声音在异常值检测任务中的应用获得了积极评价（见RQ3的结果）；另一方面，语音指令的使用也得到了正面反馈（见图10）。
关于研究参与者，尽管招募的参与者人数对于一项实证研究而言相对较少，但与许多其他研究相比仍具竞争力。尽管如此，后续计划基于本方案开展更大规模的研究。然而，由于该方案在60名参与者中已显示出可行性，预计增加参与者人数不会带来进一步的挑战。有讨论指出，参与者的遴选范围可以更广泛（即涵盖更多不同专业背景的参与者），且用于区分高表现者与低表现者的基线变量数量也可增加。另一方面，即使这些方面有所增加，该方案本身也无需进行根本性修改。
总体而言，所揭示的局限性不会影响基于本研究中所示方案开展实验，仅会影响受试者的招募以及人口统计学问卷所使用的问题。然而，本研究仍存在一项重要局限性：完成单个受试者实验所需的总时间较长。另一方面，由于受试者并未对佩戴舒适性或.......
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披露
作者无任何披露信息。
致谢
作者无任何需要致谢的内容。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| edaMove | movisens | ||
| HoloLens | Microsoft | ||
| Matlab R2017a | MathWorks | ||
| RPY2 | GNU General Public License v2 或更高版本 (GPLv2+) | https://pypi.org/project/rpy2/ | |
| SPSS 25.0 | IBM |
参考文献
- Korinth, M., Sommer-Dittrich, T., Reichert, M., Pryss, R. Design and Evaluation of a Virtual Reality-Based Car Configuration Concept. Science and Information Conference. , Springer, Cham. 169-189 (2019).
- Whalen, T. E., Noël, S., Stewart, J. Measuring the human side of virtual reality. IEEE International Sy....
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重印与许可
