Hindawi Publishing Corporation
Advances in Human-Computer Interaction
Volume 2011, Article ID 172318, 11 pages
doi:10.1155/2011/172318
Research Article
How 3D Interaction Metaphors Affect User Experience in Collaborative Virtual Environment
Hamid Hrimech,1 Leila Alem,2 and Frederic Merienne1
1 Arts et Metiers ParisTech, CNRS, Le2i Institut Image, 2 rue Thomas Dumorey, 71100 Chalon sur Saone, France
2 Networking Technologies, CSIRO ICT Centre, P.O. Box 76, Epping, NSW 1710, Australia
Correspondence should be addressed to Hamid Hrimech, hrimech@hotmail.fr
Received 12 March 2011; Revised 29 June 2011; Accepted 21 July 2011
Academic Editor: Kiyoshi Kiyokawa
Copyright copy;2011 Hamid Hrimech et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly
cited.
In this paper we presents the results of our experimental study which aims to understand the impact of three interaction 3D metaphors (ray casting, GoGo, and virtual hand) on the user experience in a semi-immersive collaborative virtual environment (the Braccetto System). For each session, participants are grouped in twos to reconstruct a puzzle by an assemblage of cubes. The puzzle to reconstruct corresponds to a gradient of colors. We found that there is a significant difference in the user experience by changing the interaction metaphor on the copresence, awareness, involvement, collaborative effort, satisfaction usability, and preference. These findings provide a basis for designing 3D navigation techniques in a CVE.
- Introduction
The CVEs technology aims at transforming the Internet networks into 3D navigable and populated spaces which allow the work of collaboration and the social play; however, the use of CVEs creates a mediatization of the collaboration; which means that we pass from a real situation face to face to a situation where we use a virtual world artificially created by computer programs to work together. Unfortunately, quite often this new way of working degrades among users some information necessary to the collaborative process, which includes the following.
(i) The actions of the partner.
(ii) The intentions of the partner.
(iii) The point of view of the partner.
The design of a CVE is regarded today as a real challenge. The problems are numerous and have a technological, cognitive, and social character strongly coupled.
In our study, we were focusing on the following research question “What is the impact of 3D interaction metaphors on the user experience in a CVE-oriented task.” the under-standing of these metaphors will help us to define the criteria,which are to be taken into account when designing a CVE.
The next section reviews the literature, Section 2 presents our research approach. In Section 3 we describe the experiment and research hypotheses. Section 4 presents the experimental results which are discussed in Section as well as a conclusion and further work.
- Background and Previous Studies
2.1. 3D Interaction.
In VR the manipulation of the objects is a very important element in 3D interaction. The quality of the VE depends on the level of interaction between the user and this environment. n3D manipulation is a joint task between the real and the virtual world. In our everyday life we use our hands in order to interact with objects, the hand can be regarded as a perfect peripheral of interaction. It allows to manipulate different types of object in an effective and fast precise way. For example, if we want to carry a book from a point A to a point B, we carry out the following stages:
one takes the book → one moves it → one over turns the book according to the desired orientation →one lays out the book.
According to Coquillart et al. [1], 3D interaction tech-niques are regarded as a set of methods or scenarios of the use of a hardware interface, allowing the user to carry out a specific task in a virtual environment (VE). According to Mine [2], 3D interactions are composed of four virtual behavioral primitives.
(i) Navigation: navigation in VE consists of two compo-nents: (1) a motor component of user movement or displacement in space and (2) a cognitive component or what one calls the “wayfinding,” a cognitive process which makes it possible to define a way in avirtual environment by building a“cognitive map” of this space [3].
(ii) Selection: selection of an object among others is considered by [2] as the action of pointing an object and validating it.
(iii) Manipulation: manipulation indicates the modifi-cation of the state of an object often beforehand selected. This modification breaks up into two sub-tasks: the translation and rotation. Mine also include in the notion of manipulation, the modification of the object properties such as size, texture, or transparency [2]. But these actions are often carried out by using specific menus (widgets).
(iv) System control is a fundamental elementary task with any application enabling the dialogue between the user and the application. Indeed, the goal of the system control is the release of functions and options of the application.
In our work, we use a decomposition similar to that evoked previously, that is, for us the task of manipulation consists of the following.
(i) Selection: the selection consists of distinguishing an object among others (to take the book), the selection can then be presented in the following way:
Selection = pointing validation. (1)
(ii) Translat
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在人机交互中的研究进展
2011卷，第号172318，11页
10.1155/2011/172318 DOI：
研究文章
三维隐交互喻在协同虚拟环境中是如何影响的用户体验的
哈米德1，莱拉2，和弗雷德里克1
1巴黎高科工艺研究所CNRS，le2i图像学院，法国托马斯dumorey 2街，71100 号索恩河边沙龙。
2网络技术CSIROICT中心，邮政信箱76，澳大利亚埃平新南威尔士州1710。
需要通信联系地址为哈米德， hrimech@hotmail.fr
2011年12月29日修订；2011年7月21日被采用
学术编辑：Kiyoshi Kiyokawa
版权所有2011哈米德copy;hrimech等人。这是一个在署名许可下发布的开放共享的文章创作，允许无限制地使用、分配，在任何媒体上发布，为原始的工作提供正确的引用。
在本文中，我们提出了我们的实验研究的，旨在了解三个相互作用的三维隐喻在半沉浸式的虚拟协同环境下对用户体验（braccetto系统）的影响结果（光线投射，Gogo，虚拟手）。每次会议，与会者分成两组在一个立方体组合重构一个谜。重建的拼图对应的梯度颜色。通过改变相互作用隐喻在共存，意识，参与，协同努力，满意度和偏好性，我们发现在用户体验有一个显着差异。这些发现为CVE三维导航技术设计提供了依据。
- 简介
CVEs技术旨在实现允许协同工作和社会活动网络三维导航和居住空间；然而，CVEs的使用创造了一个媒体化的协作；这意味着我们使用一个虚拟的世界通过人为的计算机程序一起创造，从真实的情况到面对面的情况。不幸的是，往往这种新的工作方式，降低了用户之间的一些必要的信息协作的过程，包括以下。
（1）合作伙伴的行动。
（2）合作伙伴的意图。
（3）对合作伙伴的角度。
一个CVE设计在今天被认作是一个真正的挑战。有许多问题，有技术，认知，社会性强烈地耦合。
在我们的研究中，我们关注的是以下研究问题“什么是三维交互隐喻在CVE的面向任务的用户体验的影响。”在这些隐喻的理解将帮助我们确定标准，这是设计时考虑的CVE。
下一部分回顾文献，第2部分提出我们的研究方法。我们在第3部分描述的实验和研究假设。4部分提出并讨论部分以及结论和进一步工作的实验结果。
- 背景和先前的研究
2.1.三维交互
在虚拟对象的操作是在三维交互的一个非常重要的元素。VE的质量取决于用户之间的互动水平和环境。N3D操纵虚拟和现实世界之间的共同任务。在我们的日常生活中，我们用我们的双手与对象互动，手可以视为一个完美的外周交互。它可以用一个有效和快速准确的方法，处理不同类型的对象。例如，如果我们想把一本书从A点到B点，我们进行了以下几个阶段：
拿书→ 移动它→ 把书按所需的方向移动 →放下书
根据coquillart等人。[1]，三维交互技术被视为一组的硬件接口的使用方法或方案，允许用户执行特定的任务在一个虚拟环境（VE）。根据我的[2]，三维的相互作用是由四个虚拟行为原语所组成的。
（i）在VE导航：导航，包括两组进行：（1）在运动或位移的空间的用户电机组成（2）什么叫认知组件或一个“寻路”的认知过程，这使得它可能的在“认知地图的环境建设。本空间”寻求一个方法[3]。
（ii）选择：其中的对象的选择是由[2]作为指向对象并验证它的作用。
（iii）操作：操作说明的对象往往事先选定的选项改造。这一修改分解成两个子任务：平移和旋转。我也包括在操纵的概念，对象的属性如大小，纹理的修饰，或透明度[2]。但这些行动往往通过特定的菜单进行（部件）。
（iv）系统控制的基本任务是使之与任何应用程序的用户和应用程序之间的对话。事实上，该系统的目标是控制释放应用程序的功能和选项。
在我们的工作中，我们使用的分解类似唤起以前的，那就是，我们操纵的任务包括以下。
（i）选择：选择由区分其他对象（取书）所组成，然后呈现为以下方式：
选择=指向 验证。（1）
（ii）翻译：这是经常被选择的预先改变物体三维位置的任务（搬书）。
（iii）旋转：旋转是改变物体的方向任务（翻开书）。
2.2.三维分类法处理技术
有几种类型的三维操纵技术。这些操作可以由一个分类构成，这种分类可用于为了更好的包含/理解这些技术同时也评价他们。有被提出以结构的操作技术的分类，可以引用，例如，通过隐喻的分类。
根据福斯交互隐喻是一种符号系统形象的行为或认知进行在一个已经精确的任务。这是关于一个对象或在虚拟世界中真实概念的换位[1]。
一个人说话，例如，虚拟手的隐喻：它是对虚拟环境中的用户的手的换位。对于福斯是强烈建议有追索权的一个隐喻的相互作用仅仅当它是不可能利用自然的直接的互动[1]。
（i）以自我为中心的隐喻：隐喻是隐喻，如果它形成的一部分，以自我为中心的用户行为直接进入虚拟环境的内部。这种类型的隐喻通常不适合大范围的操作任务，这些隐喻通常被用于对象的几何精度仿真。以自我为中心的隐喻分为两类：
（a）虚拟手的隐喻
（b）虚拟指针的隐喻
（ii）外向隐喻：他们将用户在一个外部的水平。嗨，反作用于虚拟环境外。这些隐喻的交互特别可用的情况下，任务分布在场景中的相对大的距离，如移动对象。然而，这需要一个非常精确的交互操作，如物体的变形，用这种类型的隐喻将更加困难。
2.3.在虚拟环境中的用户性能
当人们在单用户虚拟环境使用三维交互隐喻时，一些用户研究一直在试图探讨任务绩效。
Bowmann使用试验台评价3D交互隐喻如光线投射，Gogo，或图像，进行简单的任务和通用的三维交互[4]。有两个任务：（1）选择，用户必须选择一组对象中的一个，同一变量的这个任务是用户和对象之间的距离（3级）和对象的大小来选择（2级）的。（2）操作，用户必须根据包含在目标信息移动和调整对象。此任务的个体变量与最终的位置和自由度是物体的相对大小（2级），来检验他技术的有效性（2DOF，6DOF）。本实验结果显示，在虚拟环境中的空间技能和前实验不能被用来预测用户的性能，通过闭塞的选择可以导致手臂疲劳，男性受试者有更好的性能，同时实验表明，通过缩放操纵会引起实验后头晕，大小和距离不显着影响用户的性能分析技术。
Poupyrev也进行三维交互技术的评价[5]。在这个实验中，用户必须进行两个任务：选择和操作以评估两交互隐喻：Gogo，和光线投射。对选择的个体变量是用户和对象之间的距离（5级），和物体的大小来选择（3级）。操纵的个体变量是对象与最终的位置（3级）的相对大小的比较。本实验结果显示，光线投射技术比Gogo提供了更好的结果。
2.4.协同虚拟环境中的实证研究
各种实证研究在协同虚拟环境中已经完成。我们引用的研究并不详尽，但它们使描述那些在协同虚拟环境下影响交互的人类元素成为可能。这些元素是很多的。
以不同的角度为探讨在协同虚拟环境下社会互动的影响，在协同虚拟环境中对现实水平进行了研究。格哈德表明，当使用比较的形式或卡通式的化身成一个化身人形的头像时存在程度较高的使用[6]。同时，一个类人型的使用产生更多的浸泡，沟通，参与，和意识。然而加劳表明运用一点拟人（归因的人的特征，或行为无生命的物体，动物或自然现象），导致更高意义上的共存和社会存在比使用一个精确的拟人化或没有拟人化有更好的表示[7]。Bailenson认为，视觉和行为的现实性必须仔细平衡[8]。
为了研究，动力学小组斯莱特进行了一项实验，小组三人进行了协作任务[ 9 ]。两个参与者使用一个简单的屏幕（电脑屏幕），和三分之一主体使用头盔显示器（HMD）装置。在一个虚拟的条件下，该小组在面对面的情况下进行了合作任务。这项研究的结果表明，HMD开发领导参与者的行为。卡萨努埃瓦研究报告共存得分高的合作已经远远高于分低的合作[10]。同时，施罗德研究表明对用户的桌面屏幕专注的用户自然采取主导作用[11]。
Rudlle在他的研究中在协同虚拟环境中与参与者进行口头交流[12，13]。作者用了钢琴搬运工的问题（通过一个受限制的空间操纵大型对象）。该任务由协同的物体从起点到终点移动。参与者在这两种情况下完成任务：在一个只有同步动作是允许的对称的交互的情况下，和一个非对称的交互并在CVE、偏移CVE和C型CVE的两种不同配置的情况下。研究报告，受试者在互动条件下比在非对称条件下有更好的沟通。还报告说，手的协调运动的速度和方向在这两种情况下很差。
欣德马什等人，研究[14]参与者被要求在一个虚拟的房间共同安排家具的布局并且同意单独设计。他们被给予优先顺序目的是鼓励辩论和讨论。这项研究表明，参与者能够在共享环境中通过指向手势参考对象。然而，观察到部分问题。这些问题是由于在实现过程中不连续的可视化任务的桌面屏幕造成的。为了弥补空间的碎片，用户使用音频提高他们的言语交际。Ruddle等人，[12]研究说明，大量的口头交流被用来弥补工作中桌面屏幕的碎裂。
Nakanishi比较用户三个不同的条件的运动在，即，面对面，视频会议，和自由行 [15]。自由行是提供了一个3D共同社区在每个人都能遇到，可以像在现实生活中一样行动的桌面会议环境。与会者都代表了一个可以个人视频映射，可以自由移动三维多边形金字塔。结果表明，参与者在自由行比其他两个条件有更好的沟通。与会者还搬好自由行。Sallnas比较了三种类型的通信（聊天，音频和音像）和存在的影响。他们的研究结果表明，社会的存在和虚拟存在水平高于音频条件。音视频用户对话少于聊天和音频[16]。
大多数的先前的研究使用虚拟环境中的单个用户的评价方法。在这些研究中，不同的头像的影响出现在社会交互中。大多数的研究工作在于研究设计CVE参数。而在CVE执行特定的任务，参与者和VE之间的交流和互动是有必要的。
这些隐喻的理解将帮助我们设计时考虑的CVE的确定标准。据我们所知，一些研究已经进行调查的支持在一个地理上分布的组间的团队的对象碎片操纵[17，18]和合作对象的操作[19]之间的团队合作的有效性。但是在CVE的面向任务的用户体验的3D交互隐喻是没有效果的。
在协同场景中，大量的问题需要被处理：
（i）如何保持对谁是在虚拟的环境中，其他用户是谁，他们正在干什么的意识
（ii）如何支持非言语沟通：指向和手势
这些问题的研究问题如下：
“三维交互隐喻在CVE的面向任务的用户体验的影响是什么？”
为了解决这个问题，我们进行了一项实验研究。在这项研究中，我们将系统地改变三维交互隐喻（条件或独立变量），（1）虚拟手的比喻，（2）光线投射的隐喻，和（3）Gogo的隐喻，并探讨其对多个因变量的影响（协同努力，参与，意识，共存，可用性，满意度，和偏好）。
- 实验
3.1. 工作
在这个实验中，参与者将对分组。我们选择了协同任务“3D拼图”，每一对被要求合作建立3D拼图。任务要求参与者在三种情况下作为一个团队去一起工作解决难题。参加者必须建立一个从一个图像3D拼图（九块），这个拼图的目标是立方体的颜色校正。这些立方体以随机的方式初步定位在一个表，参与者可以选择这些立方体，通过利用三维交互隐喻为骨架来建造拼图，见图1。
这个任务已经被选中是因为它与参与者一起工作以便找到立方体的好位置。那需要在主体间沟通和参与。同时，这个任务可以使用交互隐喻来选择或操纵立方体。
这个任务是被用于以前的工作中并被考虑作为协同工作研究中的一个参考的任务。在以往的工作中魔方使用的著名的任务是被激励的。然而，我们已经适应了这个任务在我们研究的背景下在我们的任务和用施罗德研究任务之间的主要差异。在施罗德研究参与者操纵立方体使用的化身[11]，然后在我们的研究中我们选择了不使用替身。我们使用的3D交互隐喻。
还用施罗德的任务是解决一个谜题涉及8块用在不同的方面不同的颜色和排列块，每一面都在每个六方[11]显示单一的颜色，4个颜色相同，在我们的工作中，参与者必须由9个立方体组合重建图像。重建的图像对应的梯度颜色。
在实验过程中参与者不能直接看到他们的合作伙伴，但只有交互隐喻在虚拟环境中代表用户。他们仅仅通过使用音频连接。我们给参与者15分钟解决每个条件难题；如果超过这个时间限制，我们认为他们失败了。
3.2.独立变量
在我们的研究中，我们使用三个以自我为中心的交互隐喻。一个虚拟指针的隐喻（光线）和两个虚拟手的隐喻类型（一个典型的虚拟手的隐喻和GoGo隐喻）。这些隐喻的选择通过事实证明，他们是最有代表性的家庭隐喻的隐喻义，射线为虚拟指针和隐喻的虚拟手家庭的虚拟手和Gogo的隐喻投射。我们也决定选择这三个隐喻，它们用于交互三维的大多数应用
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