4D影院座椅運動數據生成方式與觀眾體驗的關系研究

馮勝

摘 要：4D影視的觀眾體驗與座椅的運動關聯密切，最重要的原因是4D座椅能夠隨著畫面的變化而運動，從而帶來強烈的臨場感和沖擊力。對于4D座椅的運動以及它與觀眾體驗觀察的研究很少單獨出現，該文通過實驗及問卷對比4D座椅的運動數據不同生成方式以及由此引起的觀眾觀影體驗差異，并在定量研究的基礎上形成定性的結論，以對更好地生成4D座椅運動數據提供參考。

關鍵詞：立體影像 4D影視 動感座椅運動 環幕影像 三自由度

中圖分類號：J943 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0088-02

1 研究的目標、意義

1.1 研究目標

隨著科學技術的發展，4D影院在我們的生活中也越來越常見，在天文館、科技館、博物館中都可以見到它的身影。4D影院是3D立體電影的基礎上添加環境特效模擬仿真而組成的新型影視產品。環境特效一般是指閃電、下雨、降雪、煙霧、振動、噴霧模擬、噴氣、噴霧、掃腿、耳風、耳音和刮風等的多項特效動作[1]。之所以4D電影這么受觀眾歡迎，最重要的原因是4D座椅能夠隨著畫面的變化而運動，帶來強烈的臨場感和沖擊力。

4D動感技術有助于促進觀影沉浸感與用戶體驗質量的提升，動感座椅系統是達到“身臨其境”效果的關鍵[2]。座椅所產生的運動與立體的畫面緊密結合，能夠給觀眾帶來最強烈的臨場感。它一般可做3個方向的動作，即升降動作、左右傾斜動作和前后俯仰動作[3]。另外，4D座椅所帶來的肢體運動感受，在飛機、汽車模擬駕駛、心理學等領域也有重要的意義。但是，目前無論在行業運用還是在學術研究領域，對于4D座椅運動數據的生成方式以及由此給觀眾帶來的觀影體驗方面的研究還遠遠不夠。

我們希望能夠通過研究不同方式獲得座椅運動數據以獲得關于不同數據生成方式與觀眾體驗的關系研究。

為了深入研究4D影院座椅，我們計劃比較不同的4D座椅運動數據的生成方法，以及由此引起的觀眾觀影體驗的差異，并在定量研究的基礎上形成定性的結論，以對更好地生成4D座椅運動數據提供參考意見。

1.2 研究意義

根據我們的調查訪問，目前4D媒體的座椅動態數據生成方式完全依賴有操作經驗的技術人員，根據自己對于動態畫面的解讀手動生成，僅憑知覺而言這樣獲得的結果勢必是不精確且因人、因時而異的，所以由此能否產生最佳的觀眾體驗難免令人懷疑。而且學術界在這一領域的研究也并不豐富。經過在EI數據庫中與中國知網上的初步文獻檢索，我們發現除了一些對于4D媒體的膚淺介紹，目前的研究可分為3種類型。

（1）力學和動力學研究，使運動的椅子更便宜更好。

（2）結合的A/V和4D效果數據的可能性研究，標準化和4D媒體在互聯網的研究。

（3）廣播在4D效果的優點作為一個整體的研究，這意味著它們的研究是否以及在何種程度上我們可以一起使用的各種感官效果改善觀眾的體驗。

然而對于4D座椅的運動以及它與觀眾體驗觀察的研究卻很少單獨出現，這正是我們試圖通過該研究嘗試探索、解釋以及形成具有普適性結論的原因。利用資料檢索與文獻研究的方法，對4D影視作品中座椅運動與觀眾體驗關系的歷史、發展與現狀進行分析與總結，進而對座椅運動與觀眾體驗的特點、發展規律等形成基本的認識和理解。

2 基于三自由度動感座椅用戶體驗的研究方法與過程

2.1 研究方法

從技術上講，根據運動座椅驅動方式的不同，市場上主要有2種類型的運動座椅：三自由度和六自由度椅子，它們都可以用液壓機、氣壓機或電動馬達驅動。在該研究中，結合目前的實驗環境與實驗條件，我們將使用一個三自由度運動液壓座椅作為試驗平臺。雖然我們的研究基于三自由度座椅展開，但研究結果同樣可以拓展應用于六自由度的座椅，因為從運動規律的角度而言它們非常相似。

在獲取數據的環節中，通常有2種方法用于生成運動數據。

第一種方法是由一名操作者一邊觀看3D電影，一邊用特殊運動捕捉設備來模擬攝像機的運動。他通過手動的方式扭動設備，并將其角度轉換成椅子運動數據。該方法的優點在于易于理解和實現，運用這種方法幾乎可以將任何立體電影升級為4D電影。但是，這種方法在很大程度上依賴于個人的主觀判斷和操作，所以不可能保證不同操作者能夠產生同樣的結果，甚至一個操作者前后2次操作也會有差別，很難保證數據的客觀性、準確性和一致性。

第二種方法是從攝像機（通常是三維動畫中的虛擬攝像機）直接提取運動信息，形成座椅的運動數據。該方法的優點是速度快、全自動，并且在數學上客觀、精確。但它通常只能用于CG影片，因為只有電腦生成的影片中相機的位置和角度信息才能輕松地被獲取。另一方面，我們也不能確定在數學上正確的數據必然能夠帶來更好地用戶體驗。

所以，為了了解普通觀眾對這2種數據生成方法產生的座椅運動有何不同體驗，并尋求帶來最好用戶體驗的途徑，我們設計了以下的實驗。

我們在3ds Max中制作2段環幕立體動畫，并分為2個實驗組A組與B組，其中A組為山洞隧道景象，B組為城市過山車景象。每組有2段動畫，每個約90 s長，分別為一段手動調試動畫和一段電腦調試動畫。其中的相機運動軌跡各不相同。這些動畫將成為我們進行研究的實驗材料。

2.2 實驗素材的準備

從電腦直接獲得4D座椅的運動數據需要模擬座椅運動。

在3DMAX中，攝像機的視角即為動畫的大小，首先建立一個如圖1所示的等邊四棱錐模型。

模型可以綁定到攝像機，可以同步模擬攝像機的運動趨勢，以模型的一個定點兩個重點模擬4D座椅內部的三自由度軸，那么我們只要把模型3個點的上下變化趨勢記錄下來就能夠獲得座椅的運動數據。

點在3DMAX中不能直接輸出，可通過ExposeTransfor mHelper去pick這3個點，通過ExposeTransformHelper并且結合一段程序可以將這3個點的運動數據輸出（見圖2）。

以下是編寫的用于輸出座椅數據的程序。

在3DMAX中載入此段程序，可提取出這段動畫的座椅運動數據，這段數據由電腦計算獲得，一定程度上講，這段數據是絕對正確的。但是用戶的體驗未必是最舒服的。

手動獲取座椅運動數據方法。

手動獲取座椅運動數據需要通過操作者觀看動畫并且手動調整三自由度數據采集器。

通過手動的方式，可以根據操作者的主管意念進行修正，但是這樣帶來的問題是，操作者個人主觀想法會被加入進去，最后得出的數據未必是真正適合用戶的。

2.3 實驗過程及結果分析

實驗階段，我們挑選33位身體健康的在校大學生作為受試對象設計單盲實驗，他們會先后體驗2段畫面相同的動畫，其中一段的運動數據由電腦自動生成，另一段由手動生成。2段動畫播放完畢后，他們將根據自己的體驗對之進行評價。為獲得更加客觀準確的結果，我們在替換動畫內容后會將實驗再重復一次（參與實驗的同學大部分來自同濟大學藝術與傳媒學院，多為動畫系與廣播電視編導系的同學，其中共有女生21人，男生12人）

A2與B1為手動調試動畫，A1與B2為電腦調試動畫。

選項“整體感覺最好的動畫”，33名測試者中27位選擇了A2，18位選擇了B1。

選項“令人深刻的動畫運動方式”，A、B兩組動畫都在“凹凸變化激烈的地形”這一選項上取得了極大幅度的領先。

對于“影響觀影體驗的因素”，超半數的被調查者不出意外地選擇了“與畫面的配合度”，排名其后的是“變化頻率”與“變化幅度”，而“運動速度”被普遍認為對觀影因素影響最小，反映出觀眾最為追求的是畫面動作的協調一致。在各種藝術的表現上，“協調”是最為重要的，4D電影作為藝術的一支分流，也必然不能脫離這一要點。

對于電腦生成的數據，受試者對觀影體驗表現出了較為明顯的不滿傾向，他們普遍認為電腦調試的動畫存在頻率過低、速度過慢的問題。但是在對畫面的匹配程度及細節表現上，電腦數據獲得了尚可的評價，且很少有人評價其運動過激。這正反映出觀眾對于電腦生成的準確數據的整體評價平穩但在“因地制宜”并創造性地處理數據。

對于手動調控的數據，觀影者普遍有著更好的評價，但不可忽視的是它更容易產生過于激烈的動作，令人產生不適感。而人造數據的優勢則是在運動變化上更豐富、更符合認知規律，因此能給觀眾帶來更好的主觀體驗。

3 研究結論

如何更好地將人工與電子智能結合，既是4D動感影片體驗要解決的問題，也是社會發展境況的縮影，而這正是我們這次實驗所探討的價值所在。

盡管手動調整的數據在動作匹配與運動頻率上有些許偏差，但是計算機計算出的4D座椅運動在目前為止還無法取代人工調控，總而言之，計算機并不能像人一樣去感受情緒的變化，所以它產生的結果平穩精確有余，但卻也難免令人感到乏味。手動生成的數據能夠更好地體現出情緒的變化，因此結果相對而言更加令觀眾滿意，人之所以為人就是因為人是有情感的，這是機器無法取代的。

參考文獻

[1] 朱逍，許昌.4D影院動感座椅控制系統的設計與研究[J].微計算機信息，2010，26（34）：92-93.

[2] 張雪，方捷新，劉達，等.4D動感影院技術發展及應用研究[J].現代電影技術，2015（2）：14-22.

[3] 陳玉龍，陳清奎，姜小會.一種新型4D影院動感座椅控制系統設計與分析[J].現代制造，2014（3）：121-122.