1. 引言
如今，沉浸式体验的广泛应用已经不再仅仅局限于现代人们日常的各种娱乐或者休闲，在家庭教育、公共安全等各个领域也已经开始广泛涉及。如果能够利用这种技术来完全模拟火灾场景、消防设备以及消防设备的各种操作，操作者甚至可以完全直接沉浸其中[1]，即可有效改善消防培训演练人员培训过程中实际操作困难，内容单一、形式复杂枯燥乏味的现实问题，能够更有效地优化、提升消防培训演练的沉浸式学习体验。本文主要通过分析研究基于头戴设备的消防演习沉浸式体验设计方向、头戴设备提升沉浸式体验的设计方法，最终完成利用头戴式移动设备在消防救灾演练活动方面的沉浸式体验设计。
2. 消防演习的沉浸式体验设计研究
2.1. 基于AR技术的沉浸式体验设计
移动增强现实(AR)系统主要是随时跟踪移动终端摄像头所获取的真实场景中的位置和坐标，根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标，并对虚拟场景画面和真实场景画面做精确匹配，移动增强现实系统实现框架[2]。因此，设备空间的物体位置和信息坐标与真实环境的匹配度是AR技术实现的关键。
Figure 1. AR fire drill
图1. AR消防演习①
见图1所示，AR烟雾场设备自动化应用于消防早在2018年便已经有了正式的设备设计尝试。对于穿戴消防头盔和AR烟雾场可视系统的普通消防员，尤其是进入浓烟滚滚的危险火场，能够直接依托于AR烟雾场可视监控系统快速地完成对烟雾场和火源的实时侦察和定位，并迅速地完成了扑救。在消防演练的过程中，消防头盔安装的AR烟雾场可视监控系统帮助了消防员不仅完全地实现了对烟雾场的可视系统自动化，而且使消防员彻底摆脱了传统手持火场探测器的束缚，解放了消防员的双手，减轻了消防员的负担，有效地增强了消防员对火场整体把控和作战的能力。
2.2. 基于VR技术的沉浸式体验设计
VR技术是从AR技术的基础上发展而来，用户可以完全沉浸在系统虚拟的环境中，达到一种能使得用户难辨真假的存在感程度[3]。消防演习应用VR技术见图2所示，它主要有以下三个优点：一是采用了游戏式的人性化互动体验模式设计，能够更容易激发用户的学习的兴趣，从而大大提高了培训的效率；二是消防安全知识培训系统应用VR技术，可以同时让用户在PC、pad等多个移动终端进行学习体验，同时并不需要很大的设备和场地，并且不需要任何硬件的投入，没有任何安全的担忧，随时随地都能够享受安全体验；三是VR消防产品中的体感式交互设计，操作简便，感受真实，无论是幼童还是老人都可以轻松掌握。
Figure 2. VR fire drill
图2. VR消防演习②
3. 头戴设备的沉浸式体验设计研究
3.1. AR头戴设备的技术原理
沉浸感：主要从产品的感官交互体验体现。AR头戴设备主要是运用AR技术将虚拟内容和现实世界相叠加的特点，使用户达到超越现实的感官体验。
跟踪技术：想要真正实现传统物理环境与现代虚拟元素的完美融合，就是使头戴设备能够实时跟踪环境。目前主流的眼镜视觉图像跟踪技术就是基于图像标记特征点的视觉跟踪。首先我们需要对被眼镜跟踪的每一个图像和特征点进行实时预处理，得到该图像的特征点集合，然后我们在实时状态下将视频流中的图像进行匹配[4]。
交互技术：与全球热点注重VR与眼动追踪技术结合相比，我国专注于AR与眼动追踪技术结合[5]。这是一种非常自然的交互，只需要看就行了，响应比较快，比手势相对来说更省力。而且，都说眼睛是心灵的窗户，AR头戴设备可以预判使用者的想法，通过我们观察物体时眼睛的微表现，知道我们对哪一样事物感兴趣。
标定技术：相比于跟踪和交互技术，标定技术是一个很容易被忽视但却不可或缺的关键技术。鉴于光学透视型的AR眼镜的特殊原理，我们往往不能直接获得人眼在目标空间中的坐标位置，而需要对人眼和AR眼镜的跟踪系统进行标定，实现“物理环境”–“跟踪系统”–“人眼成像”这条通路，保证人眼能看到准确的虚实融合效果。
3.2. 头戴设备的感官体验设计
视觉感知。人们接收信息最主要的器官就是眼睛，眼睛能够将物体的外观和空间位置信息输送给大脑，大脑会分析出四种关键信息：形状、颜色、空间和动态。此外，从理论上看，AR能够实现多种感官的知觉(如触觉、嗅觉、味觉等)，但由于目前的技术限制，AR多用于增强视觉感知[6]。因此，增强用户的视觉感知是优化头戴设备沉浸式体验设计的一个重要因素。
听觉感知。听觉是产品的感官设计中仅次于视觉的重要要素[7]。设计师需要通过声音的设计来满足用户的感情体验，使用户在使用过程中获得优质的体验。人的听觉在7 m以内是十分灵敏的，大约在35 m的距离，仍然可以听清楚声音，所以头戴设备在进行听觉设计的时候，要考虑到虚拟物体发出的声音与用户坐标之间的距离会产生怎样的听觉体验，同时也要考虑到虚拟物体会发出什么样的声音。
通感。人的感官并不是独立存在的，它们之间是相互联系和作用的，俗称“通感”。在通感的设计中，声音也会逐渐变得有图像，颜色也会逐渐变得好像有一种温度，图形也会逐渐变得好像有一种重量。比如说“蓝色”，仿佛让人会立刻联想到大海；比如说“水”，仿佛一眼就会让人感受到一种纯洁。在沉浸式体验的设计中，体验的感知方式是基于多种人体感官相结合。
3.3. AR头戴设备的感官交互体验设计
受众的行动与多感官的融合。沉浸式体验中的感官交互，是通过头戴设备营造的虚拟空间以及摄像头等硬件实现的双向信息传递，实现用户的行为与感官的有机融合。增强现实技术能够充分结合不同类型场景环境的现场作战要求，利用三维动态场景模拟数据库的技术，实时地呈现三维动态的场景。以三维动态场景数据库为技术基础，对火灾模拟现场环境中的参数加以了调整，实现虚拟环境中听感、触感、视觉的真实性[8]。
效能阻力的平衡。降低人们在达成目标时的认知阻力(达成目标的脑力活动总量)和运动阻力(达成目标的体力活动总量)为最省力法则[9]。它分析了效能阻力这个体验要素，由于它直接影响到了受众的实际参与度，因此在沉浸式体验的设计中，应该充分地考虑到设计平衡的效能阻力，这本身就是一个非常难准确把握的度。如果一个用户的能力与面临的挑战难度水平不匹配，那么体验者或多或少会产生焦虑感或者无聊感，导致用户的沉浸式体验感不佳。设计师应该在营造沉浸式体验中要适当性地给予用户相应的挑战，在挑战过程中对通过的用户给予一些适当性的奖励，以此来提高用户的兴趣和能力。在这些挑战与用户能力匹配的情况下，用户的兴趣和沉浸感自然会增加。
传统的火灾现场模拟演练的过程过于单一和程序化，难以充分锻炼全体消防员强大的抵抗力和心理素质，使得传统的火灾模拟演练现场与真实的火灾现场之间存在着明显的差距。因此效能与阻力这个要素在消防火灾模拟演练的组织与设计中显得尤为重要。在消防训练的过程中，增强现实技术与消防模拟演练的高效技术融合，可以为消防员建立不同的消防训练活动强度，根据不同消防人员的个人能力设置不同的消防训练难度。此外，还可以对消防员展开部分传统消防模拟演练中难以进行的毒害、危险性的消防模拟训练，使得消防人员在训练中可以充分挖掘自身的心理与身体适应能力极限，不断地提高自身应对不同的火灾、突发状况的经验、能力，从而最大程度地降低火灾为国家社会安全和受害者带来的各种危害。
4. 基于AR头戴设备的消防演习设计研究
4.1. 消防演习功能设计
消防知识及器材使用：系统基于现实场景，虚拟出消防标识和消防设备，通过三维模型、音频动画、可交互操作进行展示，指导用户学习消防知识和熟练消防设备使用
场景灭火系统的教学体验和演练：这一模块主要是将受众行为和感官交互融合，场景灭火系统软件可以为用户虚拟出任意的火灾现场，用户置身其中，根据灭火系统的提示进行报警、灭火等过程的亲身体验和演练，提高用户对消防安全的意识，掌握基本的消防安全知识和技能。消防知识考核模块：这一个模块主要应用了效能阻力理论，采取AR游戏表现形式，将消防安全内容贯穿其中，设定合理的难度，系统记录用户考核过程，给出评价得分。以趣味考核方式提高用户对消防安全知识的掌握，见图3所示。
Figure 3. Fire extinguishing teaching system diagram
图3. 灭火教学系统示意图②
逃生引导软件教学：这一模块主要是将受众行为和感官交互融合，虚拟逃生系统基于摄像头捕捉到的真实场景，可通过虚拟不同的火势、不同发生场景的各种火灾现场，引导消防员用户采取正确的方式进行救援，引导普通用户选择逃生的正确路线进行疏散逃生，增强了用户在“火灾环境”的真实感，同时提高用户疏散现场逃生的能力，见图4所示。
Figure 4. Schematic diagram of escape guidance teaching system
图4. 逃生引导教学系统示意图②
消防知识考核模块：这一个模块主要应用了效能阻力理论，采取AR游戏表现形式，将消防安全内容贯穿其中，设定合理的难度，系统记录用户考核过程，给出评价得分。以趣味考核方式提高用户对消防安全知识的掌握，见图5所示。
Figure 5. Fire knowledge assessment system schematic diagram
图5. 消防知识考核系统示意图②
4.2. 头戴设备的人机数据测量及分析
头戴产品与人头部的参数关系密切。基于用户研究和需求分析，在对用户定位人群的头部数据测量和分析的基础上确定VR头盔的人机尺寸，以满足机工程学目标[10]。
用户需要能够轻松地戴上或脱下头盔，就需要对头圈的松紧范围进行设计。AR头戴设备的头圈尺寸数据需要来源与对定位用户人群的头围数据。最直接有效的方法是对目标用户的样本数据进行调研分析，见表1所选的样本数据为成年男子214人，成年女子172人。根据表1结果显示，头圈的松紧范围设置在490~610 mm之间较为合适，能够包括大部分用户的头围尺寸。
Table 1. Head circumference data of Chinese men and women
表1. 中国男子和女子头围数据
性别 |
百分位数 |
5% |
50% |
95% |
男 |
536 (mm) |
560 (mm) |
586 (mm) |
女 |
520 (mm) |
546 (mm) |
573 (mm) |
4.3. 头戴设备的设计方案
AR头盔除了考虑到消防演习这个系统功能外，还应该考虑到日常生活中对于AR头盔的需求多集中于游戏娱乐等方面，因此AR头盔的设计需要可以长时间佩戴并且不会产生不适。根据用户调研进行设计得出，造型上应该是具有科技感和稳定性的“圆”，用对称的线条构建产品轮廓；佩戴起来应该是舒适的、方便的。见图6所示为本次设计研究的头戴设备造型。
Figure 6. Product effect of the headset
图6. 头戴设备产品效果图②
具体来说，主机部分包括外壳，摄像头、镜片以及头戴部分。外壳材质均为塑料材质，其中前半部分的塑料材质表面为光亮白色，后半部分壳体材质为磨砂黑色塑料；镜片采用了透明亚克力材质。头戴部分包括调节头圈和防滑落部分。其中调节头圈部分采用塑料材质，内胆部分使用柔软的硅胶材质，保证用户佩戴的舒适度。头顶有一个防滑落的“握手”，该部分采用了塑料材质，实物见图7所示。
Figure 7. Product drawing
图7. 产品实物图②
4.4. 设计评价
对产品的体验设计评价从两方面进行：其一，以产品样机体验测试的方式进行，目标群体人数选择为14人，在体验产品的过程中需要体验者关注产品设计的特征和体验问题；其二，通过问卷评估的方式完成对设计的造型、色彩、材质、人机、结构和与环境协调评价，评价的结果见表2所示。
Table 2. Evaluation result statistics
表2. 评价结果统计
评价项目 |
非常满意 |
满意 |
一般 |
不满意 |
非常不满意 |
造型 |
30% |
40% |
20% |
10% |
0 |
色彩 |
40% |
35% |
25% |
0 |
0 |
人机 |
60% |
30% |
10% |
0 |
0 |
材质 |
20% |
35% |
30% |
15% |
0 |
根据统计结果显示，用户认为产品在造型、材质上存在问题，通过用户访谈的询问具体原因并进行分析，见表3所示。
Table 3. Evaluation result analysis
表3. 评价结果分析
项目 |
不满意比例 |
用户反馈 |
原因分析 |
造型 |
10% |
喜欢更加轻薄一些的，比如眼镜的形式 |
部分用户认为该设备造型太概念 |
材质 |
15% |
塑料材质相对于金属来说略显廉价 |
金属质量较大，塑料材质是基于人机的选择，可以考虑部分小细节材质使用金属 |
5. 结论
本文主要是基于沉浸式体验、增强现实技术、用户体验、消防演习等方面，对AR头戴产品的沉浸式体验设计、AR技术原理、消防演习系统等设计方面做了比较详细的研究和分析。在这些理论基础上，改善头戴设备在消防演习方面的沉浸式体验相关设计，对国内的消防演习和人民群众的安全意识起到一定的辅助促进作用。同时基于人机工程、用户体验等理论基础，对AR头盔进行了创新设计，使得用户在使用产品的时候，除了优秀的沉浸式体验外，还能感受到舒适的佩戴感以及佩戴产品带来的心理满足感。
注 释
①图1来源：https://m.baidu.com/sf/vsearch?pd=image_content&word=AR%E6%B6%88%E9%98%B2%E6%BC%94%E4%B9%A0&tn=vsearch&atn=mediacy&fr=alawise&sa=vs_ala_img&imgtype=0&imgcontent=%7B%22materialQuery%22%3A%22%22%2C%22subjectJson%22%3A%7B%7D%7D&imgpn=0&imgspn=0&mediacyKey=undefined&tt=1&di=7355526631454146561&pi=0&cs=1690494869%2C2223777295&bdtype=15&objurl=https%3A%2F%2F5b0988e595225.cdn.sohucs.com%2Fimages%2F20181229%2F1a1b02a8fbe24bacad38f38a173a194c.jpeg&imgos=1616125255%2C1599774395&imgis=0%2C0&isRecFrClick=0
②图2~7来源：作者自绘