基于商场购物行为对增强现实设备的人机界面设计研究

摘要：通过调查沈阳部分商场的顾客，文章得到人们在购物时遇到的部分问题，并结合AR技术特点和人机工程学相关原理，针对这些问题建立符合人机要求的解决方案，使其能更完善地应用于人们日常生活中，解决人们在商场购物时所遇到的部分问题。

关键词：增强现实 商场购物 HMD 人机界面

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2017）01-0135-04

引言

隨着社会的发展，工业化、信息化水平的不断提高，人们的购物理念也发生了变化，有很多人都尝试了快捷、高效的网络购物方式，不过传统的商场购物却仍然非常受消费者欢迎。据美国疾控中心建议，逛商场对人们的身心健康是有所帮助的，商场购物不受天气影响，光线充足，路面平坦，一些商场还有休息的座椅，即使是老年人也不会感到不适。但是，人们在逛商场的同时也遭遇到了一系列的麻烦，例如停车难、寻找货物难或者忘记停车位置等。在面对这些问题时，我们要求助他人？还是自己费力寻找呢？

一、消费者的分类及场所划分

消费者的购买行为是简单的又是复杂的，因消费者的定位很难统一，消费所涉及到的人或者家庭或者某种团体，人数众多。而且影响消费者消费的因素也很多，诸如：年纪、性别、职业、社会背景和信仰等。基于本文的研究课题，消费者可分为4类：购买目的性很强的消费者；陪同购物消费者；漫无目的的消费者和混合类型消费者。

针对本文的研究范围将消费场所划定在购物中心类别上。按照其定位档次分类可分为：以高档商品为主；以中高档商品为主；以中低档商品为主。

（一）以高档商品为主的购物中心，如香港时代广场、上海恒隆广场、沈阳大悦城等。高档商品要占经营商品比例的70%以上，面积一般为24万平方米以上（图1，2）。

（二）以中高档商品为主的购物中心，如沈阳皇城66恒隆广场、沈阳万象城等，一般有10-24万平方米左右（图3，4）。

（三）以中低档商品为主的购物中心，如马尼拉EVER摩尔。但是对于低档商品的比例也是有要求的，低档商品不能超过经营产品的60%，否则其就称不上是购物中心。

本文以沈阳市府恒隆广场和沈阳万象城为例调查了沈阳的部分消费者，针对消费者所提出的问题进行了分析。

二、增强现实技术

（一）增强现实技术的定义和发展

增强现实（AR）是从一个相对普遍的概念——介导现实衍生出来的，它通过直接或间接的物理元素来增强现实环境（或补充），如声音、视频、图形或GPS数据等的计算机应用技术。随着AR技术的提高，（例如增加目标识别和计算机视觉）AR设备记录下周围用户对环境和观察对象的互动和数字化操纵，并编码成可以覆盖在现实世界之上的实时信息。2012年是一个关键的时间节点，美国Google公司发布的Google Glass（GG）是全球第一款真正意义上实现AR技术的硬件设备。2016年，被定义为AR/VR的元年，在这一年当中，这两项技术被预期为全面爆发的一年。

（二）增强现实技术的应用实例

AR不单单在与VR相同的应用领域，诸如尖端武器和飞行器的研制与开发、数字模型的可视化、模拟训练、游戏、艺术和教育等领域都具有一定范围的应用，更重要的是因其具备对真实世界可进行扩充显示输出的特点，在医学研究与模拟解剖、精密仪器制造和维修、艺术设计和工程设计等领域，具有比VR技术更加显著的优势。

（三）增强现实技术的技术支持和理论支持

AR的基础技术大体上可分为5个方面：（1）摄像技术，真实的场景图像的获取；（2）图像合成，图像最后的融合；（3）显示技术，显示器设备的显示，目前的AR设备是通过视觉和计算机透视投射在人眼可见的显示屏上；（4）虚拟数据库，3D虚拟对象的数据库，包含了在显示屏上显示的所有内容；（5）渲染技术，实时3D转换和渲染等环节，投射在屏幕上的虚拟内容会结合周围环境进行实时渲染，达到逼真的效果。AR系统会通过摄像头以及图像合成技术来提醒用户360°的安全信息。显示设备可分为手持数据PDA式，可穿戴式HMD式和手持定点观察式三种显示展示方式。其中本文选择可穿戴头盔式AR显示界面，为研究方向。

AR技术是一种信息穿透技术，它将生理学，人机工程学和认知学作为物理性的理论基础，将心理学和美学作为影响用户精神层面的理论基础。

三、人机工程学对增强现实设备的理论分析

（一）人的感知响应过程与人机系统

人因接收到外界的信息而做出一定的反应，这一过程叫作人的感知响应过程。人的感知响应过程是有先后顺序的，依次为：感觉器官→传入神经→大脑皮层→传出神经→运动器官。

图5中眼耳、大脑、手脚组成了人的感知响应过程；显示器、机器、控制机组成了人机界面；眼耳和显示器组成了显示装置，手脚和控制器组成了操纵装置。

（二）人的视觉特性

1.视野

人的视觉特性可分为视野及视区。视野又细分为直接视野、眼动视野和观察视野三种。三种视野的最佳值之间有以下简单关系：

眼动视野最佳值=直接视野最佳值+眼球可轻松偏转的角度（头部不动）

观察视野最佳值=眼动视野最佳值+头部可轻松偏转的角度（躯干不动）各视野的具体范围如图所示

2.人体尺寸的百分位数的选择

针对AR眼镜而言，成像是将虚拟信息素材投射到透明的显示器上，该显示器的尺寸是根据眼动视野的范围和头宽确定的，并根据GB/T10000-1988中国成年人人体尺寸，可知AR设备为可穿戴式HMD设备，AR眼镜是固定在人体头部上的，但设计显示界面的菜单页面时，还是要考虑到头部偏转的范围的。依照GB/T10000-1988和GB/T12985-1991在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则，我们可知头最大宽度、头最大长度和针对该产品的人体百分位数的选择，具体如下：endprint

眼镜属于成年男女通用Ⅲ型产品，所以该产品选取的百分位数应为[P50（男）+P50（女）]2，作为产品尺寸设计的依据。

3.显示界面尺寸的选择

按照测量结果勾划头部近似图形，如图9N示：

图9中黄色边缘为头部近似图形，蓝色区域为最佳眼动视野的范围，红色圆是为了计算方便所画的近似图形，粉色的圆弧长度为显示界面的长度。再根据弧长公式：

公式描述：公式中n是圆心角度数，r是半径，l为弧长。

I=nπr÷180

可得在水平眼动视野60°范围内的显示设备尺寸，结合文献的主要内容，可知眼镜和眼球的最佳水平距离约为12毫米（mm）。参考最佳眼动视野范围，经计算得出该设备的显示界面水平最大尺寸约为201毫米（mm），铅垂方向的最大尺寸约为16246毫米（mm）。但考虑设备自身局限，尺寸可酌情处理。

4.色觉视野

色觉视野简称色视野。由于人眼对不同颜色的感觉刺激不同，所以色觉视野也不尽相同。

如10图所示，对白色的视野最大，黄色、蓝色，红色依次递减，绿色视野最小。针对AR设备的显示界面的设计，色视野体现为指示线、标识及数字的色彩区分。依照色视野的特性并结合Pantone色卡标准，选用白色、绿色（802C）、蓝色（7460C）、红色（812C）作为主要的色彩参考。

按对物体的辨认效果，即辨认的清晰程度和辨认速度。如表2的数据中所示，中心视区，即人瞬时注视、瞬时能清晰辨别形体的范围是很小的，在水平和铅垂方向上都只有1.5°～3°而已。

5.视角及视距对增强现实显示界面的影响

视角，是指被视对象上两端点到眼球瞳孔中心的两条视线间的夹角。D是被视对象上两端点间的距离，L是眼睛到被视对象之间的距离，称为视距，a即为视角。如图11所示，D，L，a的关系式为：

理论上，人眼是可以观察到无限远的物体的。但一个物体，放在远处看不清，移近后就能看清楚了，这说明，能否看清物体，并不取决于物体的尺寸本身，而取决于它对应的视角。显示界面的设计应在最佳的直接视野区域内留出更多的空白，避免干扰人的正常观察，造成安全问题。

6.目光巡视特性

目光巡视是指人眼能在瞬时看清范围很小的物体，所以人们观察事物时多依赖目光的巡视。目光巡视的特点主要有：1）目光巡视的习惯方向为水平方向：从左向右；垂直方向：从上到下；旋转巡视：顺时针方向。目光巡视多为跳跃的，而非连续地巡视。2）视线水平方向移动要快于铅垂方向，且不易疲劳；对于水平方向上的尺寸比例评估要比铅垂方向快，且准确。3）双眼单视。4）视野中不同区域的视觉感知快慢不同，如图12所示：

一般来说，右下象限感知快，左下象限次之，右上象限再次之，左上象限感知慢。当双眼焦点偏离视觉中心时，假设偏离距离相等的情况下，眼睛对左上象限的观察效果最优，次一级的观察效果依次是右上象限、左下象限、右下象限。在视觉感知区域内，显示界面的各部分功能界面就要根据此理论合理设计。

四、增强现实设备在商场购物中的具体应用

（一）AR设备的功能分类

道路指引

道路指引是通过色彩和方向导示图标来指引用户到达目的地的。

商品定位

商品定位是通过商家对商品的位置信息进行存档，使消费者可以在自身佩戴的设备中清晰辨认出商品分区。此功能还可以帮助用于寻找闲置车位（图13，14）。

商品信息

商品信息是由制造商提供的包含商品演示、技术指标和社区互动等信息的立体影像（图15）。

失物记号

失物记号具有物品遗落提醒和物品离开用户提醒功能。AR设备会扫描下物品的信息并标记，使遗失的物品可以在用户视野中高亮显示。此功能也适用于寻车（图16）。

消息推送

消息推送功能会将商家的活动信息和各个商场的同类商品进行比较，给用户自主选择的权利。

（二）AR设备在商场中所考虑的环境因素

1.照度

商场中的灯光照度是有明确规定的，所以作为环境因素来考虑时，可以以此为背景光来选择AR设备的显示亮度及色彩对比度。通常的显示屏为LCD显示器，其亮度的比值为1000：1。含义为屏幕中最亮的部分照度为500cd/m²，其最暗部分的照度为0.5cd/m²。而为了适应多种光照环境的需要，AR设备的显示屏采用OLED显示器，亮度比值为10000：1可以确保显示屏在任何条件下都可以被用户看清楚。

2.噪音

商场中的噪音环境是一個非常必要的环境因素，噪音是由于商场内部电器运作时所发出的声响，必要的噪声可以使人在工作时提高效率，减少人与人之间的干扰，保护个人隐私等。AR设备是具有语音提示功能的，所以考虑噪音环境的同时，要确保AR设备语音的清晰准确传达。为了使语音功能在不同噪音场内可以顺利工作，所以选用了女性声音的振动频率作为指导语音。

五、结论

HMD型AR设备是一种新型的AR设备，它将成为目前AR眼镜的新一代产品。以Google Glass为例，HMD的显示区域比较开阔，更符合人的观察习惯，而HHMD设备的外形与普通眼镜外形基本一致。该论文主要研究内容是建立在商场购物行为的基础上的AR界面设计，内容总结如下：

（一）以沈阳市府恒隆广场和沈阳万象城为例展开的设计调查。调查方法包括实地走访、网络信息搜集、采访消费者以及实地拍摄等，总结消费者所遇到的问题；

（二）选取HMD型的AR设备作为设计对象，其原因为HMD型AR设备为Google公司下一代的AR设备类型，目前还在产品开发中，HMD型AR设备可以代表未来几年的AR设备发展趋势，所以具有一定的现实意义；

（三）结合人机工程学的理论知识研究了AR设备的尺寸选择、成像原理、显示屏的选择和显示空间布局等内容，得出HMD型AR设备的基础资料；

最后，以人机工程学的相关原理作为理论基础，建立商场购物环境下，AR设备显示界面的雏形，更形象地体现人机工程学原理的应用。HMD型AR设备的设计需要多学科之间的融合，需要应用到多学科的知识，作为一种新型现代显示设备，虽然目前还处于技术开发阶段，未能实现普及，但随着各个领域的精英不断研究，未来的AR设备一定会实现舒适、健康、安全、高效的目标。