技术分享｜虚拟环境中不同类型表面上文字的阅读体验研究

- 正文开始 -

尽管新型媒体的流行程度正在增加，但是大多数信息仍有待通过阅读来消费。同时，阅读也是日常生活中与人们信息互动的传统方式，但是随着新技术的出现，阅读方式也在不断变化。人们可以使用移动设备，而不是仅纸质文件，随时随地更快地访问信息。无论是在纸上还是数字设备上，尽管阅读形式发生了变化，但文本显示在很大程度上仍保持二维。随着虚拟现实（VR）系统进入消费市场，已经创建了广泛的游戏，应用程序和体验。大多数情况下，通过反复试验，VR中的用户界面（UI）设计模式应运而生。尽管VR通过3D多媒体提供沉浸式体验，但文本仍然是传达信息的重要方式。存在针对大多数显示器和设备类型的文本布局，易读性，字体和其他文本参数的准则。但是，到目前为止，对VR中的文本显示的研究还很少。在这片论文里，作者专注于VR中的弧形文本显示，并探索影响阅读体验的因素，包括舒适性和有效性。进行了两项用户研究，第一项评估了VR中在不同表面形状上渲染的文本以及它们对可读性和阅读体验的影响。第二项比较不同的弯曲表面，这些研究揭示了翘曲角度和观察盒宽度对阅读舒适度，速度和注意力分散的影响。本文的结果表明，文本应绕水平轴而不是垂直轴弯曲，并且本文提供了有关弯曲和视图框宽度的建议。

 国内研究现状 

/ 屏幕阅读 /

不同的因素会影响屏幕阅读效果和读者的主观印象。Mills and Weldon调查了计算机屏幕上的文本读取，以识别参数，例如字符格式和影响可读性的屏幕特征。至于字符，他们提到人们在较小的字符时阅读速度更快，而对于单个字符，较大字符的可读性高于较小字符的可读性。他们还指出，在刷新率较低（50-60cps）的情况下，在深色背景上读取浅色字符是更好的选择。另外，一旦文本的行宽不同，易于阅读的感觉就不同了，即使每行的长度保持不变，只要每行的单词数不同，用户也可以很快感觉到区别。

Mayr et al. 专注于像素密度和阅读体验之间的关系。虽然找不到关于阅读理解和速度的定量发现，但是主观阅读体验似乎在像素密度更高的屏幕上受到了积极影响。JJankowski et al.研究了将文本与视频和3D图形集成在一起。他们评估了不同的字体渲染样式和颜色，发现在深色背景的半透明面板上渲染可以改善阅读体验。

/ 虚拟环境中的文本渲染 /

随着VR和AR设备的激增，很少有研究专注于虚拟环境中的阅读活动。Chen et al.研究了如何在VR中有效地显示和访问信息，并采用文本布局分类法，其中考虑了文本数量，视觉属性（例如，字体大小，类型，颜色）和位置。在评估“世界内”（对象空间）与“平视显示”（视口空间）渲染时，他们发现平视显示受益于将文本投影到3D场景中对象面部的文本俯仰，偏航和侧倾变换。Polys et al. 有类似的发现，表明视口界面在准确性，时间，任务难度和主观评分方面优于对象空间布局。Dittrich et al.专注于2D和立体投影，发现与类似的2D显示条件相比，在低角度分辨率（6-13弧分/像素）的环境中需要更大的字体大小。

Gabbard et al.研究了室外AR中文本绘制样式，背景纹理和光照对文本易读性的影响。Sousa et al.研究了当放射线医师分析和解释图像时的环境照明条件。他们使用VR头戴式耳机发现了不合适的环境条件会降低性能。

Rzayev et al.比较了在相对于用户固定的平视显示器上呈现文本的不同位置，并得出结论，谷歌眼镜提出的功能（即在右上边缘显示文本）会增加工作量并降低理解力。发现在中间或底部（步行时）的渲染是更有效的文本位置。其他研究也探索了在头戴式显示器内将文本放置在平面上的情况，并开发了增强文本（字幕）观看体验的技术。

较少的研究调查了文本在非平面上的呈现方式。Grout et al. 探索了在外围凹面中的文本渲染，因为平板似乎更受扭曲影响阅读性能的影响。此外，Roh 提到使用曲面显示器有多重好处。例如，与平面显示器相比，曲面显示器的使用增加了沉浸式体验，因为它提供了更大的视野。同时，与平面显示器相比，弯曲的显示器可以帮助用户一次扫描并获得更多信息。Fafard et al.展示了一个鱼缸VR显示器，它创造了身临其境的3D体验。

最近，Dingler et al.研究了VR中阅读的文本参数，着眼于文本大小，收敛性，视图框尺寸和文本位置，以探讨它们对阅读舒适度的影响。他们列出了参与者对参数的偏好，包括文本字体和背景，视图框参数以及角度高度。在他们的实验中，查看框的尺寸也会影响用户的阅读舒适度。

 本文方法 

首先通过国内外研究现状提取出一些重要的因素，然后根据这些因素来展开本文进行的一系列实验。并且实验不是各自独立的，而是层层递进的。先进行一项用户研究，比较了VR中凹，凸和平面表面的阅读体验。根据本文的发现，本文随后关注了不同的翘曲角度和观察盒宽度，进行了第二项研究，以比较和得出影响易读性和阅读舒适性的因素。最后，本文创建了一个探索性VR应用程序，演示了如何将文本渲染应用于常见的扭曲3D对象。

/ 总体方法框架 /

/ 实验设计 /

1.表面研究

图一：本文研究了不同3D形状（包括凸形（球体，圆柱体），平面和凹形表面）上的文字渲染，并测量了它们对阅读性能和体验的影响。

实验设计

本文采用受试者内部设计来评估四个表面条件对阅读体验的影响，即：1）平面，2）凹面，3）球体和4）水平圆柱体。为了使曲面具有可比性，本文为每个曲面设置了相同的翘曲度（90°）。为了评估阅读体验，本文测量了：

目标：阅读速度（基于自定进度的按钮按下以指示文本阅读完成）和理解（总共10个阅读后问题中正确回答的问题数）。

主观：舒适度，阅读便利性，感知的阅读速度，理解力，注意力和沉浸感。

实验条件

本文通过从标准化阅读评估语料库中选择英语作为第二语言来确保文本具有类似的困难。每个课文包含550个单词，并附带十个理解问题，使本文能够计算出客观的理解分数。为避免顺序影响，通过拉丁广场设计平衡了表面的顺序，并将文本随机分配给每个条件。

实验内容

对于每种情况，参与者都将通过UI进行引导，并要求阅读随机分配给该条件的文本。每次阅读的时间会自动记录下来，到课文结束后，将在VR之外进行简短的理解测试，其中包括10个问题。

在每种情况下，参与者都要完成一次调查，以李克特式评分量表（1 =“完全不同意”和7 =“完全同意”）评估沉浸感和主观阅读体验。主观评估包括感知的阅读速度，舒适度，阅读的便利性，感知的理解力和分散注意力。对四个条件中的每一个都重复此过程。

结论

1）客观因素

关于读取速度，ANOVA没有在表面条件之间产生统计学上的显着差异。同样，通过理解测试评估，本文在理解上也没有发现统计学上的显着差异。

2）主观因素

关于阅读舒适，一个弗里德曼试验表明在舒适水平有统计学差异显著。成对比较得出圆柱体读数与球体读数之间在统计上有显着差异。

关于感知阅读速度，本文没有发现不同的显示表面之间的显著差异。

评估

初步研究的结果表明，在阅读舒适度，阅读便利性和注意力分散方面，主要存在主观差异。尽管从易于阅读和减少干扰方面考虑，优选使用平面基线作为基准，但通过比较两个凸面界面，水平圆柱体比球体更易于阅读。

与VR中的2D阅读界面相比，虽然本文无法确定在对象周围扭曲文本会增加沉浸感，但有时跨3D对象渲染文本而不是在环境上贴上2D标签可能是不可避免的。因此，本研究的主要内容表明，如果文本围绕3D对象变形，那么读者可以通过单个（圆柱）轴而不是两个（球形）轴进行变形。

为了更深入地研究这种一维变形，本文进行了第二次用户研究，重点研究了水平和垂直方向的圆柱体以及变形的程度以及不同的变形如何影响用户体验。

2.翘曲研究

实验设计

本文采用具有多个自变量的对象内设计，即1）三种形状（球体，垂直圆柱体和水平圆柱体）2）三种扭曲角度（50°，70°和90°）和3）两个不同的视图框宽度（FoV：22.6°和33.6°），得出3 x 3 x 2的实验设计。

文本内容的顺序被随机分配给阅读表面，而表面的阅读顺序使用Latin-square设计平衡。本文使用了Wikipedia上有关世界主要城市的文章。每篇文章的长度约为150-170个单词，Flesch-Kincaid的阅读分数为60-65，以确保相似的文字困难。在这项研究中，本文测量了：

- 客观的阅读速度，阅读准确性，自我更正和理解力。

- 主观舒适度，阅读便利性，感知阅读速度，理解力和专注力。

实验条件

本文使用了与先前研究中所述相同的设置。除了不同的曲面，本文还使用了三个不同的扭曲角度（50°，70°和90°），即，画布的球体的垂直角度和画布的圆柱体的水平弧度。此外，本文为视图框尝试了两种宽度（FoV：22.6°和33.6°）。因此，50°是最平坦的位置，而90°是最弯曲的位置。对于凸面，中心点和用户之间的距离保持恒定，而曲面的边缘逐渐向远离观察者的方向弯曲。在本文的实验中，本文将表面中心点到用户位置的固定距离设置为3米。

Dingler等人 还显示了视图框的尺寸会影响阅读性能，Mills and Weldon 指出线宽影响阅读的便利性。为了探索在本文的实验中哪个长度可以提高阅读性能，选择了两个视图框宽度，同时保持高度不变。这两个不同的宽度分别设置为22.6°和33.6°，而视图框的垂直FoV为26.3°。

实验内容

在每篇课文之后，本文进行了一项调查，以根据主观度量（如感知的可读性，阅读舒适性和感知的理解力）评估阅读体验。为了最大程度地减少中断，本文将这些调查作为VR中的表格进行管理。理解性问题由实验人员进行了口头表达并记录下来。

在完成18种阅读条件后，本文为参与者提供了三个阅读面，并为他们提供了可自定义FoV以及使扭曲程度达到最舒适水平的控件。然后要求参与者大声朗读带有其自定义设置的正在显示的文本。

在完成阅读和表面定制之后，本文邀请参与者进入研究的第二部分，其中包括一个示例环境，其中充满了要探索的阅读界面（请参见图2）。本文指示参与者找到有关三种不同对象类型的某些信息，即1）在广告柱上，2）纸卷轴和3）不同的瓶子。此部分用于收集有关这些阅读体验的定性数据。以下问题设置了任务：

- Metallica音乐会将在哪里举行？

- 亨氏番茄酱的主要成分是什么？

- 哪位埃及神把荷鲁斯的眼睛撕裂了？

图二：示例应用程序中对象的屏幕快照，其中将呈现的文本渲染到扭曲的3D对象上，包括可滚动的广告栏（左），装有配料的瓶子（右上）和展开的扭曲表面（右下）。

设计问题的目的不是为了评估理解力，而是为了指导参与者进行实验并找到相关信息。

为了回答这些问题，参与者必须在环境中导航并通过拾起瓶子，卷轴（水平圆柱体）并找到相应的广告支柱（垂直圆柱体）来与物体互动。对象的文本以不同的翘曲角度打印，包括一些与先前研究相同的翘曲角度。此外，本文实现了一项功能，参与者可以通过按控制器上的按钮将变形的曲面变形为平坦的曲面。目的是提供在弯曲表面到平面的读数之间的直接比较。然后可以在所有对象和表面上上下滚动文本，尽管空间有限，但仍可以提供更详细的信息。在回答了所有三个任务问题后，参与者可以自由探索环境，只要他们愿意。

为了评估在不同表面条件下渲染的文本的可读性，本文应用了另一个“运行记录”任务，要求参与者大声朗读。随后通过考虑阅读速度和准确性来分析清晰度。

-阅读速度（RS）：时间是在删除填充词（例如“ emmm，uhhh ”）或参与者发表的无关的开场白后计算得出的。

-自我更正：对于成绩单，根据运行记录的过程，每次添加，删除或错误阅读单词时，都会记录一次错误。发音错误的单词不算作错误。如果参与者通过重新阅读对单词或句子进行自我纠正，则不会将其记录为错误，而是被视为自我纠正。

-读取准确度（AR）和每分钟准确字数（AWPM）：与Grout等 类似，阅读的准确性基于段落中的错误和单词数。

结论

1）客观因素

在所有三个客观因素（形状，翘曲角度和观察盒宽度）及其相互作用方面，在所有客观指标之间均未发现统计学上的显着差异。

2）主观措施

总而言之，本文发现在阅读便利性，感知阅读速度，理解力，专注力方面没有统计学上的显着差异，仅在舒适度方面。关于舒适度，观察框宽度和翘曲角度之间在统计学上有显着差异，但形状之间没有差异。在短视框上阅读似乎比在长视框上阅读更好。与弯曲程度较小的表面相比，最扭曲表面的阅读舒适度在统计学上显着降低；在最平坦的表面，而50°和70°之间没有差异。事后分析还表明，在水平圆柱体上和在球体上未发现相互作用效应。

3）相关性

本文的结果表明，受试者的各项指标之间存在正相关，包括舒适度，阅读的便利性，感知的阅读速度，理解力和专注力。但是，结果还表明，主观衡量通常与客观衡量没有很好的相关性。

统计数据显示，舒适度与其他测量值之间存在较大的正相关关系，其中包括感知的阅读速度，理解 ，浓度。它还显示了中等正相关且易于阅读。

此外，易读性还与变量具有中等正相关性，包括感知的阅读速度，理解和浓度。

此外，感知的阅读速度与理解力和注意力具有大的正相关，与理解力也有小的正相关。

此外，理解与浓度呈正相关，与阅读速度呈正相关。

最后，浓度与阅读速度之间存在小的正相关。

4）偏好

在启发阶段，本文允许参与者自定义他们的阅读表面，收集了有关翘曲角度和观察盒宽度的一组优选参数。

-翘曲角度：图3显示了参与者对显示器翘曲角度的偏爱。对于所有形状，参与者都希望其翘曲角在50°至55°（弯曲较小）之间。对于球体表面，将近3/4的参与者选择了50°至55°之间的翘曲角。没有参与者希望球面的角度大于70°。对于水平圆柱表面，一半用户选择了经角50°至55°，而其他用户的选择则稀疏地分布在55°至90°之间。对于垂直的圆柱面，大多数人选择的翘曲角在50°到60°之间。

图三：参与者对翘曲角度的偏好。

-视图框宽度： 图4显示了参与者对所有形状的视图框宽度的偏好结果，并且可以看出，对于所有形状，该宽度集中在270到300个单位附近。由于视图框的比例为0.005，而参与者到视图框中心的距离为3米。结果显示，参与者更喜欢25.4°至28.1°作为视框的水平FoV。

图四：参与者对视图框宽度的首选项。

评估

本文的翘曲研究结果表明，舒适度受翘曲角度和观察盒宽度的影响。高度的弯曲（在本文的情况下为90°）导致舒适度降低。总体阅读舒适度与感知的阅读速度，理解集中度和阅读容易程度呈正相关。换句话说，具有较高阅读舒适度的表面鼓励读者认为他们的阅读质量得到了改善。

然而，理解测试的实际阅读速度和准确性与主观结果并没有很好的相关性。本文确定了两个可能的原因：首先，本文的理解力测试可能无法分辨出参与者的主观感受之间的细微差别。也就是说，本文为理解测试选择的一系列问题并未反映个人的阅读经历。其次，由于很难衡量参与者是否真的在VR中完成阅读，因此本文采用大声读出协议进行客观阅读速度测量，这可能并不代表参与者的“真实”阅读速度。

本文根据参与者的喜好进一步建议查看框的宽度和翘曲角度。考虑到他们的喜好，当垂直FoV为26.3°时，视图框的水平FoV范围应在25.4°至28.1°之间，并且翘曲角应在50 °至60 °左右。对于所有三个凸形，尤其是球形和垂直圆柱。本文的结果还证实，就舒适度而言，在VR中，读取圆柱体上显示的文字要比读取球体上的文字要好。此外，应考虑在VR中沉浸式阅读和易读性之间的权衡。根据本文在应用研究中参与者的评论，翘曲通常似乎会对阅读的易感性产生负面影响，但它可以增强VR在阅读瓶子等物体时提供的沉浸感。

 局限与未来发展 

本文确定了当前研究的一些局限性以及未来工作的潜在方向。

首先，本文仅使用固定的垂直FoV改变视图框的水平宽度，而在实际使用情况下，垂直FoV也可以调整。但是，由于HMD的垂直FoV受限制，本文决定仅更改水平FoV。

其次，本文没有使用无线HMD，而是通过Oculus Rift CV1实施了本文的研究，该研究限制了用户在探索VR环境进行第二次应用研究时的行动。尽管如此，参与者还是能够使用远距传输和虚拟步行技术穿越虚拟环境。

第三，本文使用自定进度控制和大声朗读协议来确定文本阅读速度。更先进的技术，例如眼动追踪，将来可用于更准确地确定读取速度。

此外，尽管本文的结果表明在阅读的便利性与沉浸于VR阅读中的沉浸感之间存在一个权衡，但本文尚未分析如何平衡这些权衡，为将来的研究留出了空间。

在本文的应用场景中，本文将重点放在简单的滚动上，以作为在3D表面上导航文本的一种方式，从而为探索通过其他方式（例如，显式手势）控制阅读流的方法留出了空间或更隐式的交互方式，包括眼动追踪。

最后，阅读界面的UI参数（例如字体，文本大小和视图框）可能会受到交互影响，从而影响阅读性能和体验。

感谢王鹏的校对

本文部分图片和文字来自公开文献

如有使用不当之处请私信告知

- END -