面向博物馆导览的混合现实系统可用性研究——以无锡博物院紫玉金砂馆为例

第一章、绪论

1.1 研究背景和现状

1.1.1 博物馆现有导览方式分析

博物馆是一所永久设立的文化教育机构。博物馆以服务社会及促进社会与自身的发 展为目的向公众开放。2007 年维也纳召开的第21届国际博物馆协会代表大会中 （International Council of Museums,ICOM ,简称国际博）首次将“教育”提升为博物馆的第一职能。目前，博物馆的职能主要以教育、研究、欣赏为目的征集、保护、研究、传播 并展出人类及人类环境的物质及非物质文化遗产。我国博物馆于20世纪初开始发展， 从2011年统计的2200多所博物馆发展至今已有大小博物馆5354所。博物馆的职能也从原本的收藏、保存逐渐转换成为当代社会中以教育、收藏、研究为主要目的的教育机 构。博物馆的导览设备是博物馆发挥教育职能的一种最通用的方式，导览设备能否有效的传达给参观者较好的教育内容是博物馆实行教育职能的一个首要问题。但是，目前我国已有的博物馆数字导览设备在内容、形式和媒介等方面仍有较多缺陷。 历史类博物馆（History Museum）涵盖了历史知识及其与现在和未来的发展关联。 有些历史类博物馆主要展出某些特定的策展范围或是某一特定地区的历史文物或艺术 展品。这类博物馆中主要包含范围广泛的物件，其中包括历史文物的档案、各类型的文物实物、艺术品以及考古中开采的历史文物等。历史类博物馆内具有大量珍贵文物与展 品，出于对展品的保护，这类博物馆的展陈布置大多具有灯光昏暗、展品封闭隔离、场馆空间密闭等特征。如何将展品身上包涵的大量的历史信息和文化背景直接且清晰的传递给参观者，并尽量减少在认知过程中产生的困惑是这类博物馆信息导览需要解决的主要问题。目前，数字导览设备已有的形式主要是线上APP或微信小程序等类型的线上产品类，以博物馆提供的手机、讲解机等设备的导览机类，还有博物馆内可公用的数字LED屏幕、数字化展示一体机等展示形式。数字导览系统是除公用的一体机外，为用户个人提供的讲解导览设备或线上程序。

数字导览系统目前的主要问题有以下三点：第一，博物馆导览系统知识内容的呈现形式无法很好地与博物馆具体展品结合，讲解内容的体系性和展品与展览空间之间的关联性弱。第二，博物馆讲解系统的单一信息传播方式不易于参观者对于内容的理解和接收。历史类博物馆的大部分展陈方式单一乏味，导览系统 的内容呈现方式对参观者感官上的刺激较弱，内容缺少趣味性和独特性，不能够调动参 观者的兴趣和注意。第三，博物馆自助导览系统不能及时的获取参观者空间、位置和视线角度的变化，不能在参观时提供效果较好的引导。目前，很多参观游客仍愿意选择人工的讲解员进行参观时的讲解，因为讲解员在讲解的过程中能够及时的回应参观者对讲解内容作出的反馈，并对参观者的参观顺序、视觉注意点、参观方向和参观顺序进行有序的引导。而博物馆的讲解设备的机械化忽视了和参观者之间的及时互动，让参观过程更加缺乏灵活性和新鲜感。除这些问题外，现有的导览系统的硬件提供、人工维护、软件的安装和使用频率等都处于相对欠缺的状态。低效的导览系统直接影响到博物馆的文化传播效果和博物馆的展览效果，因此对导览系统进行改进是提高博物馆文化教育效果的一个重要手段。

1.1.2 混合现实技术发展与现状

混合现实技术是增强现实技术和虚拟现实技术发展的另一个阶段。混合现实最初是 由 Paul Milgram 和 Fumio Kishino 在 1994 年发表的一篇文章“一种混合现实视觉对象的 分类”中提出的。文章重点介绍如何对混合虚拟与现实空间中的视觉对象进行分类和归纳。文章中将混合现实的应用范围扩展至真实环境的输入、空间中的音质和虚拟信息与 物理空间的位置和关系。这篇文章在一定程度上扩大了混合现实应用程序的涵盖范围。 上世纪七八十年代，“智能硬件之父”多伦多大学教授 Steve Mann 为了增强自身的混合视觉效果，使人类视觉在自然的设备环境中看到任何情境下的周围环境，设计出可穿戴式 智能硬件设备。这一设备是对混合现实可穿戴设备的最初探索和研究设计。随着混合现实穿戴设备的研究和完善，微软对混合现实概念做了进一步的界定。混合现实环境的搭建主要依靠于计算机图像处理技术、人工信息的输入和计算机设备对外部环境的理解。 混合现实技术将现实世界与虚拟世界的运动关系和位置坐标进行匹配和对应。现实环境 中的物体和空间关系会影响到混合现实的体验感受。混合现实技术主要通过对环境空间的理解和信息的输入实现现实和虚拟信息之间的交互融合。 近年来，在计算机视觉和人工智能技术的推动下，混合现实技术在跟踪注册精度、 实现设备性能和人机交互机制上都有了突出的进步。从技术要素上分析，混合现实和增强现实更为接近。混合现实强化了现实和虚拟环境的交互机制，实现了虚拟物体与环境之间的交互关系。混合现实技术的研发和应用已经渗透到了非常广泛的领域中，在医疗实践和航空航天领域的成果最为显著。我国的混合现实技术的研发正在逐渐涉及到教育、 医疗、建筑、制造、航天等众多领域。

混合现实技术的主要技术特征有三点：第一、三维跟踪注册技术；第二、实时交互的互动机制；第三、虚实融合的呈现形式。 数字技术的出现和发展给博物馆导览和展示形式带来了机遇。目前，国内各大博物 馆，例如国家博物院、故宫博物院、上海博物馆、苏州博物馆等均已尝试并利用新技术对博物馆导览系统进行了更新。历史类博物馆通过结合语音讲解、二维码识别、多媒体信息结合的展示导览形式，解决了传统人工讲解员数量和质量的限制。但是对于参观者的行为引导、内容的针对性以及导览系统与博物馆展品的结合方面仍存在一定的缺陷。

1.1.3 可用性度量概念及量化方法

可用性度量（usability metrics）是量化用户体验指数的测量类工具。用户体验是用 户与系统产生交互行为时所涉及到的所有内容，主要包含了用户在使用某个产品时所产 生的主观感受。可用性度量将用户体验从多个维度进行量化，直接的获取用户在使用产 品过程中的感受反馈，从而降低产品的设计成本，让产品的设计更加符合用户的需求。 ISO 国际标准化组织确定了可用性中的有效性、使用效率和用户的满意度这三个维度， 并把可用性定义为：“特定使用情境下，特定的用户完成特定的目标时，产品所表现出 来的效果、效率和令人满意程度”。可用性专业协会（Usability professionals Associations, 简称 UPA）将可用性定义为：“可用性是一种产品开发方法，为降低成本和使设计出来 的产品和工具符合用户的需求，整个开发过程都需要结合直接的用户反馈”6。这个概念 更多是从产品设计角度出发对可用性进行定义。Steve Krug 在对这两个定义进行概括和 总结后，将可用性定义为：用户使用产品成功完成某种任务时的能力。

这几个定义都 包含有三个共同点：首先，在实际的测量和观察的过程中都需要用户直接参与；第二， 在测量的过程中，用户需要完成一些事情或任务；第三，用户需要通过使用这个产品、 系统或其他物件完成任务。产品设计的过程中涉及到可用性度量时，更多是在研究产品 整体的用户体验。 度量（metrics）是一种测量或评价特定现象或事物的方法。在可用性专业中也有一 系列判断可用性的度量：任务是否成功、用户满意度、错误和提示等。可用性度量是用 来揭示用户和产品或系统之间的交互关系，即通过量化的方法显示出一个系统的有效性 （用户是否能够利用系统顺利的完成某个任务）、效率（完成该任务时所需要付出的努 力程度和所用时间）和满意度（用户在使用系统完成任务过程中以及完成任务后对系统 的满意程度）。这些度量有两个共同点分别为：首先，可用性度量是可以被观察到的； 第二，可用性度量是可以量化的。可用性度量在设计系统和评价用户体验的过程中增加 了数据化和结构化的测量元素，能够给予测量用户体验实验的结果以更直观的解释。同 时，可用性度量结果的显示也给系统的设计者提供了针对该系统目标用户体验的直观的 数据信息反馈。通过利用可用性度量方法，分析用户在使用这个产品或系统时的用户体 验，在实际设计产品或系统时形成更加适合用户的设计策略。

1.2 研究意义

随着博物馆数量的增多，越来越多的博物馆开始免费向大众开放。博物馆逐步成为全民文化学习的重要场所。虽然大众对精神文化的需求日渐提高，但我国博物馆的服务理念、市场竞争意识普遍较为淡薄，尤其以历史类博物馆为代表，在迅速变化的文化消费态势面前仍未做出适时的调整，不能及时的满足大众对博物馆文化的需求变化。随着文化教育职能成为博物馆的首要职能，增强博物馆展陈的文化传播效果能够更好的帮助 博物馆发挥其大众文化传播的职能。 我国大部分历史类博物馆是室内场馆，为保护文物的完好，场馆的封闭性和遮光性较好。展陈方式以静态陈列为主，辅之少量的文字、图片及媒体内容进行信息呈现和介绍。历史类博物馆展出形式单一，博物馆内单独陈放的展品和由于环境限制展示的历史信息较少，导致展品的历史背景和文化信息没有办法直观的传递给观众。数字导览内容 的选择或过于浅显或过于枯燥乏味，不能满足参观者对内容的要求。博物馆的导览系统也没有办法达到人工讲解员在讲解过程中对参观者的互动性和视觉引导。这使得博物馆在文化传递的效果上大大的减弱，大多参观者在博物馆中对大量的陌生概念无法迅速理解吸收，导致在参观过程中产生认知疲劳。这些影响都在很大程度上减弱了历史类博物馆自身对文化传播产生的作用。 博物馆的信息导览系统的改进，能够从媒介、形式、内容和效果上促进博物馆的文化传播。借助混合现实虚实嵌入的展现形式，能够直观的将信息贴合展品，在引导性和直观效果的展示上弥补传统语音讲解的弊端。在博物馆的物理环境搭建虚实融合的导览空间，帮助参观者在参观过程中通过多种表现形式了解到展品的各种维度的历史文化内涵。并在引导参观者的生理行为的同时，影响参观过程中产生的认知行为，利用对参观者生理行为的调节促进其对概念的理解和认识。最后，采用可用性的量化和统计方式， 评估混合现实模型的用户体验和导览功能的可用性。根据实验结果，提出适合目标场馆的具体信息导览的设计原则方法。

1.3 研究内容与研究方法

1.3.1 研究内容

国际标准化组织把可用性定义为：在特定使用情境下，目标用户在完成指定的目标时，使用的产品所表现出来的使用效果、使用效率和用户的满意程度。在产品的开发设计中整个开发过程都需要对用户的反馈进行研究和观察。设计的过程中测量和观察用户使用某个产品完成一个任务时的能力，能够对产品的核心功能和使用感受进行直接的数据测量。随着产品功能逐渐全面，可用性度量对用户需求的研究在产品设计过程中更加重要。利用可用性度量的测量方法对博物馆导览系统进行开发评估，更贴合参观者的使用体验。 在完成对于传统博物馆导览系统的分析和调查后，结合混合现实的交互方式，制作混合现实导览模型。模型中主要实现混合现实导览的核心功能，在系统的引导下，帮助用户在具体空间环境中，完成指定任务。实验过程中，记录用户的用时、完成度、满意度等具体数据，并对用户在使用过程中产生的具体行为进行记录和研究。实验完成后。 通过ASQ和PSSUQ 问卷对用户的满意度进行调研，并针对问卷的结果选择部分用户进行深度访谈。最后对实验的反馈数据进行整理和分析，提出适合混合现实导览系统的设计策略。本文的研究目标是： 1、研究混合现实技术的三个交互特征——对人类自然行为的理解和延伸；虚实场景和虚实物体间真实的物理空间关系；符合社会行为与心理的虚拟信息呈现方式。 2、从认知心理学角度出发，研究混合现实技术在情境效应下的用户体验影响因素； 3、得出混合现实导览系统在博物馆应用中影响用户体验的设计因素； 4、采用可用性的量化和统计方式，评估混合现实模型的用户体验和导览功能的可用性；5、结合对认知心理学、博物馆学以及混合现实的交互特征的分析总结，利用可用性度量的量化方法，针对混合现实博物馆导览系统提出相应的设计策略，并在具体场馆中进行实践。

第二章 博物馆数字导览系统的应用现状以及用户需求分析

2.1现有博物馆数字导览交互方式分析

随着数字化技术的发展，数字导览系统已经成为博物馆中最便捷的一种导览形式。 目前国内各大历史类博物馆均有对应的数字信息导览设备或软件类应用，但是其功能相对单一，覆盖率较低且普及程度也有一定缺陷。每个博物馆的具体情境不同，博物馆内 的游客层次之间也有较大差异，现有的数字导览的形式和内容难以满足参观者的需求。 本文主要选取国家博物院、上海博物馆、苏州博物馆和故宫博物院四所历史类博物馆的 数字化导览系统进行分析和调查，对比不同技术下数字导览的应用优劣势。 目前，我国博物馆面向公众的数字导览系统主要有用户被动式导览和用户主动式导 览两种方式。用户被动式导览方式分为两个主要类型，基于惯性传感器的定位导览和基于WLAN 定位的导览系统。用户主动式导览方式有基于二维码识别的定位导览系统和基于图片识别的导览系统。历史类博物馆多采用以获取展品信息对参观者进行定位的 主动式定位方式。国家博物院采用的是用户识别二维码的定位方式，苏州博物馆是基于图片识别的主动式定位方法，上海博物馆是以线上app的方式为用户提供语音讲解。电 子导览的出现顺应了电子技术的发展，一定程度上弥补了博物馆时间空间上的不足。电子导览系统在覆盖率和普遍程度上都相对传统导览有了很大提升，但是在针对性的引导、展品和导览内容的关联性以及展品间关联性的方面仍然有欠缺。

2.1.1 移动端二维码识别类博物馆导览系统分析

移动端二维码识别为主要实现手段的数字导览核心，采取的是用户主动定位的交互形式。用户在具体展品位置识别展品对应的二维码或条形码，为数字导览提供用户位置和展品的对应信息，讲解机再将对应展品的具体信息呈现给参观者。二维码（2-dimensional bar code）是用某种特定的几何图形按一定的规律在平面即二维方向上分布的黑白相间的图案来记录数据信息的。二维码识别技术可以借助参观者手机端任意 具有扫描功能的软件，普及范围相对较广泛。二维码的扫描检测与定位主要过程如下： 首先，把输入图像转换为灰度图像；通过OTSU转换为二值图像；对二值图像使用轮廓 发现得到识别的二维码的轮廓；根据二维码的三个区域特征，对轮廓进行面积与比例过 滤得到最终识别结果。 国内以二维码识别对用户进行定位的博物馆较多，国家博物院的线上app智慧导览是一款专门针对博物馆等旅游景点开发的自助讲解导游软件。观众对场馆中提供的纸质展品手册中的展品对应二维码进行识别，即可了解具体的展品信息。智慧导览内容相对详实，覆盖率广泛。使用参观者的手机作为设备载体，节约了操作成本、符合用户使用习惯，也方便博物馆的工作人员了解用户对博物馆展品的偏好。国家博物馆举办的“道法自然——大都会艺术博物馆精品展”展览中，使用二维码导览系统的展览效果、参观者参与度、展品及参观者偏好信息采集三个方面相对传统博物馆展览活动都有了明显提 升。根据参观者的数据分析发现参观者对展品的偏好和潜在需求，对博物馆展开更有效的导览活动提供了一定的方向。 基于二维码识别的定位导览主要有以下三个优势：1、通过博物馆内部展台布置的二维码对用户进行定位能够实现基本精准的位置匹配；2、成本较低，不需要对场馆进行大量改造，也不需要借助外界装备，无需安装额外硬件对参观者进行导航；3、对虚拟信息的呈现和语音的调用匹配相对准确，不会在内容的呈现上出现误差。但是，这种传统的点对点交互方式在已有的应用中逐渐显露出交互方式的缺陷，其传统的交互的方式约束了人机交互的发展，交互习惯也不完全符合人的日常行为习惯。新的交互方式正在逐渐走向自然的人机交互行为，通过人类的肢体动作、语音的自然交互行为进行人机交互。

2.1.2 无线定位方式导览讲解系统分析

博物馆导览系统中主要用到的无线定位技术有：Wi-fi 定位技术、GPS 定位技术和 无线频射识别（RFID）技术等。 室内定位方面，研究者提出了大量的方法，包括红外线、超声波、无线频射和Wi-fi 定位，前几种需要依赖特定的硬件设备和定位终端、相比较而言，Wi-fi 定位技术具有 成本低、覆盖信号广泛、可提供网络连接和数据传输的优点。对于需要博物馆空间，Wi-fi 定位需要较好的信号环境，对于相邻较近的展品来说，Wi-fi 容易产生误差。Wi-fi 的覆盖面积之间产生的重叠会对导览系统的定位效果产生较大的影响。故宫博物院的电 子导览讲解机通过故宫中分布的 Wi-fi 发射器对导览机进行定位并调用导览内容，当参观者到达某个地点的信号覆盖范围之内后，导览设备便会自动播放对应的讲解内容，但是这种导览方式，容易在参观者在信号覆盖边缘以及场景四周移动时产生内容播放错误，影响参观者的使用体验。 GPS全球定位系统( GPS,Global Positioning System ) 具有全天候、高精度、自动化、 高效益等显著。对于博物馆的室内场馆来说，较厚的墙壁和封闭的室内空间对 GPS 的 信号传输影响较大。圆明园的电子导览系统利用 GPS 对参观者的位置进行定位，参观者通过租借圆明园内提供的具有 GPS 定位功能的导览设备，在园内进行实时的定位。由于 GPS 的定位误差，园内的一些区域会影响参观者的路线选择和位置的确认，并且对于园内提供的导览设备，参观者在参观过程中出现操作错误后容易对讲解机的使用产生困惑，较为广阔的园区环境导致没有工作人员能够及时的提供帮助。在园区的客流量较大时，导览设备容易产生供应不足、电量不足等问题。

2.1.3 增强现实类博物馆导览系统分析

增强现实技术（Augmented Reality，简称 AR）也被称为扩增现实，增强现实技术是将虚拟世界与真实世界进行融合展示的一种数字呈现技术。增强现实技术将原本在 现实世界的空间范围中难以直接展示呈现的内容利用计算机数字技术叠加在物理空间 进行呈现，利用数字技术的模拟仿真处理，将叠加在物理空间的虚拟信息进行应用。这个呈现的过程中，真实世界和虚拟物体能够同时被用户的感官所感知，从而实现扩展现实空间中用户的感官体验。真实环境和虚拟物体之间产生重叠和融合之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在。增强现实技术借助移动端设备的摄像头对真实世界进行实时的捕捉和对真实环境的理解后，借助移动端屏幕的数字显示，将虚拟物体放入真实世 界中，对虚拟物体和真实世界进行融合展示。增强现实技术具有虚实融合、三维跟踪注册和实时交互的技术特征。 增强现实技术能够对环境和空间进行实时的理解，将虚实的结合达到相对真实的实现效果。增强现实技术已经在医疗、军事、工业和教育等众多领域得到了应用。增强现实技术支持的博物馆导览系统能够打破虚实空间的视觉界限，对不同空间的信息内容进行集中展示，增加了用户与导览系统之间的互动，改善了博物馆本身沉闷的展示环境。 苏州博物馆结合增强现实技术开发的线上导览 APP“云观博”利用增强现实的图片识别技术，将展示展品的三维动画与展品实际结合展示，为博物馆导览方式提供了新的可能。 利用增强现实的展示技术，将展品的历史文化内容以更直观的虚实叠加的方式呈现给观众，打破了博物馆导览系统内容和实际展品之间的视觉界限。但是，展示内容与展品之间并没有产生真实的交互关系，虚拟导览系统并没有结合博物馆场馆 的物理环境，导览内容也没有将展品与展品、展品与展厅间的联系展示出来。并且由于增强现实图片识别位置的限制，参观者只能在某个固定角度对展品进行识别，在客流量较大的时间段容易造成展馆内参观者的拥堵现象，影响了导览系统的使用感受。

2.1.4 现有数字导览方式的可用性问题

现有的博物馆导览系统在使用方式以及实现手段上容易在以下几个方面对用户造成使用困扰。首先，导览系统自身的缺陷影响用户的使用感受。博物馆导览的内容过于片面化，缺乏吸引力和趣味性。导览系统与博物馆的实际空间联系较弱，容易让使用导览的用户与实际空间产生隔离，直接减弱了博物馆展品对用户的直接刺激，让用户在使用过程中产生认知上的困惑。博物馆导览由于实现手段的限制，没有真实的与用户产生交互，与参观者在具体情境中产生的交互行为相悖。其次，不同用户的个体差异与认知水平也会在使用导览系统时产生不同的使用感受。目前，我国博物馆面向公众开展的要活动分为三类：内部基本教育活动、辅助学校的教育活动和以公益性为主的公益教育活动，各博物馆针对不同年龄层段的开展的活动有所不同。但是目前博物馆的活动形式普遍单一，除改变内容外针对活动形式的创新明显不足，针对学校开展的专题课程的数量也较少。 博物馆数字导览系统的内容选择方面目前有以下问题：第一，博物馆讲解系统涉及的内容和知识体系性较弱，讲解内容过于基础和空洞。第二，大部分博物馆的讲解内容覆盖面相对较小，大量展品没有针对性的讲解内容。第三，博物馆导览系统内容与博物馆展出实物之间关联度较弱。

2.2 文物类博物馆信息导览系统用户需求分析

用户需求分析是设计产品前对用户体验进行深入调查的用户体验研究方法。系统设计之前和设计开发过程中，需要深入的对用户需求所作的调查与分析。对用户需求进行分析是系统设计、系统完善和系统维护的依据。通过观察法、实验调研和深入访谈等方式获取目标用户的信息，了解目标用户的核心需求，并对用户态度和行为进行研究。最后通过研究结果和用户的反馈确定系统的功能架构以及交互方式。设计产品的过程中， 满足用户需求的同时，还要协调系统的应用环境和系统使用的情境分析等方面因素，以 达到产品期望的目标。了解用户需求后，分析需求的优先级，确立产品功能或系统架构， 对产品的核心功能以及设计目标进行分析描述。主要从用户需求、产品目标、可行性三个维度对功能内容进行评估。博物馆混合现实导览系统进行设计之前，对文物类博物馆的用户进行深入走访和调研，了解博物馆用户的参观需求并对用户行为进行分析，针对用户的核心需求提出适合博物馆参观者参观行为的导览系统。

2.2.1 信息导览产品描述

随着数字技术的发展，混合现实已经应用于各个行业中。混合现实的虚实结合、理解自然行为的交互方式更符合人类的自然交互行为。基于混合现实技术开发的博物馆导览系统，一方面能够完成精准的室内空间定位，结合场馆的具体情境，搭建完整一体化的导览模型；另一方面，能够很好的结合博物馆具体环境和具体展品，实现虚拟内容和实际展示的对应，减少用户的乏味感和脱离感；第三方面，能够对用户视觉注意和自然行为进行引导，通过对肢体运动的调节和调用影响用户在参观过程中的认知行为。通过该系统完善博物馆的导览机制，为用户提供更加符合自身需求的导览体系，增进博物馆的文化传播功能。

2.2.2 目标用户分析

用户目标描述的重点是用户“是否”或“如何”在环境中使用产品以及系统。研究中需要关注用户在使用中的四个问题：1、用户是否能够自然的使用该系统；2、用户是否能 够顺利且相对容易的按照特定任务来使用产品；3、在某些情境中，用户为什么没有使 用产品；4、对用户的使用习惯以及使用的体验进行混合研究。在进行系统的目标描述时要尽量考虑系统使用时的真实场景。真实的使用情境能够将研究结果的影响因素减少到最小，这样能够更加真实的了解用户的使用行为和对系统的可用性的态度。通过任务完成来使用系统，目的是为了针对性的观察系统某个功能的可用性反馈。针对不同的研究目标，用户的操作任务之间可以存在差异。混合的研究方法能够帮助观察者从更多角度观察研究系统的各个维度之间的用户信息反馈。