情境感知驅動的交互設計

文/李姣姣（上海大學 上海美術學院）

良好的交互設計可以大幅度減輕人的認知障礙。目前交互設計的研究更注重人性化、易用性，交互邏輯更注重緊密性、關聯性，以期營造良好的用戶體驗。在交互設計過程中尤其關注人的行為，而用戶行為認知就是研究人的認知活動的顯著特征，涉及到人的感覺、知覺、記憶、思維過程等方方面面。隨著用戶行為認知研究的發展，可為交互設計提供科學性指導。

本文以智慧旅游中的尋路系統交互設計和虛擬工廠分揀系統培訓交互設計為例，從用戶行為認知的一般性出發，采用活動理論分析用戶連續的動作及轉變，進而基于情境感知研究用戶與系統交互行為，總結具體場景中交互設計模型。

一、情境感知框架分析

1.1 情境及情境感知系統

情境(Context)是客觀存在的且具有普遍性，它與活動、事物等緊密相連，又被稱作“情景”或“上下文”，這些詞語在本質上含義是一致的，涉及計算機[1]、 認知心理學[2]、 教育學[3]、社會學、圖書館學[4]、設計學等領域研究，但是各有側重。最早將情境帶入設計方法中的是IBM公司，該公司使用情景分析法為洛杉磯奧運會設計的語音操作系統。在計算機領域，“情境”表示一個實體狀態信息的集合，而“情境感知系統”普遍被認為是利用傳感器等信息獲取設備，采集相應的情境信息，并將其信息轉換為系統可識別的形式，計算機系統提供相應的反饋。

1991年，Mark Weiser首次提出了普適計算的概念，為情境感知系統奠定了基礎[5]。自此，情境感知就成為專家學者關注的焦點。Dey[6]將情境感知系統定義為使用情境數據向用戶提供重要信息或服務的系統，其中給定信息的相關性取決于用戶任務。BYUN H E等[7]認為情境感知意味著能夠使用情境信息，系統能夠提取、解釋和使用情境信息，并使其功能適應當前的使用情境。我國的顧君忠教授[8]認為情景感知的目的是試圖利用人機交互或傳感器提供給計算設備關于人和設備環境等情景信息,并讓計算設備給出相應的反應，這種獲取與反應,應當滿足情景適應性、計算機反應性、情景與反應的響應性、就位性、情景敏感性和環境導向性。一般來說，情境感知系統的目的是獲取和利用設備情境的信息，以便提供給特定人員、地點、時間、事件等的服務，情境感知系統旨在提供對信息、通信和計算的情境感知訪問。情景感知可以分為主動和被動情景感知：主動情境感知是指根據感知的情境,應用程序主動改變行為以適應變化；被動情境感知是指應用程序將新的情景呈現給感興趣的用戶,或者為用戶保存情景用于以后的檢索。

在交互設計的研究中，情境感知系統的目的在于根據傳感器獲得用戶自身以及身邊的情境信息，主動地向用戶推送相應的服務，是一種主動服務設計，它能夠模擬人的認知可提高系統功能的可用性[8]。情境感知服務應用到諸多領域。在生活服務方面，情境感知服務在生活中應用的比例穩步上升，應用到智慧旅游[9]、交通、購物、休閑娛樂等方方面面。例如網易云音樂的個性化推薦技術，類似于“盒馬鮮生”的O2O商家，可提供基于場景的服務，滲透到用戶生活中。除了在生活方面的應用，情境感知技術也可應用于可穿戴智能設計[10]、智能家居、智慧城市等。在功能性產品系統設計方面Akbarinasaji S等[11]利用AR技術優化了一種情感感知增強現實系統，用于機械設備的維護。薛霄[12]等基于情境感知技術開發了智慧礦山系統，能夠幫助礦工預防安全隱患。侯文君[13]基于情境感知對虛擬裝配技術進行了研究。情境感知正在逐漸應用在生活服務、系統維護、企業管理等諸多方面。

1.2 情境感知的交互系統分析

主要通過什么樣的方式獲取到哪些情境信息？情境信息如何分類？在具體的場景下，用戶會發生什么樣的行為？用戶的行為具備什么樣的特征？用戶的哪些操作和行為是觸發情境感知交互的關鍵點，在觸發觸點后，系統應該響應什么樣的服務？在情境信息感知推理層需要考慮情境信息如何聚類管理？獲取到的情境信息如何儲存？用戶與系統交互流程是怎樣的？在服務應用層，用戶希望達到一種怎么樣的實現方式，交互的界面形式是什么樣的？交互邏輯如何設計得合理？

1.3 情境的分類及情境感知系統框架分析

對于情境的分類，Schmidt A[6]將情境分為與人相關的情境（用戶自身、社會環境與任務）和與物理環境相關的情境（條件、位置、基礎設施）。Gorker和Myrhaug將情境分為：環境，任務，社會，時空，用戶，位置。Jacek Gwizdka認為可以分為內部情境和外部情境。國內的專家學者也對情境的分類有深入研究，情境需要圍繞著人來考慮，提出了情境譜系的概念，將情境分為計算、用戶、物理、時間、社會5類情境[8]。本文將情境信息分為用戶情境、環境情境以及任務情境3類。用戶情境：指的是用戶的個人基本信息數據（姓名、年齡、教育背景）、行為習慣等，以及用戶社交圈、工作等社會環境信息；環境情境：是指用戶所處位置信息、環境的光照變化等；任務情境：是指用戶在完成特定任務的操作流程、行為、以及操作的交互方式、交互對象等。

文中關注的是在具體場景中的交互設計，基于情境感知反饋于用戶，輔助用戶操作，實現的方式是傳感器感知用戶的情境信息，處理判斷信息后，以恰當的交互界面形式主動向用戶提供反饋服務，減輕用戶的認知負擔。基于情境感知將交互設計框架分為情境信息獲取層、情境信息推理層以及服務應用層，如圖1所示。情境信息獲取層：通過傳感器、系統參數以及用戶數據庫有選擇性地獲取情境信息；情境信息感知層：對獲取到的信息進行數據聚類管理存儲，依據相應的規則以及觸點進行情境信息的調用；服務應用層：是系統的表現模型，在對情境信息推理使用后，以信息界面等形式反饋恰當的服務給用戶。

圖1 移動情境感知服務框架

1.4 情境感知系統推理及交互邏輯分析

情境感知系統獨特的特征是依據獲取到的情境信息，依據事先建立的規則庫實現自適應推理，主動地向用戶提供服務；情境感知推理的結果一是反饋給界面信息，二是觸發功能。界面交互邏輯如圖2所示。系統通過感知情境的變化，會自適應地進行反饋，要保證用戶在交互過程中獲得正確的反饋，從系統的可用性角度出發，所以在進行情境推理時，應該依據不同的任務情境制定合適的自適應規則。

圖2 基于情境感知的系統交互邏輯分析

二、基于活動理論的用戶行為分析

2.1 活動理論

活動理論（the activity theory）是一種分析人類群體行為的范式，關注于人類群體的情境化行為。它起源于20世紀初，是前蘇聯心理學家、建構主義理論代表人物之一的Vygotsky和他的學生發展起來的一種辯證唯物主義心理學。旨在通過分析個體在現實生活中的實踐，描述和理解個體與物理環境相關的心理過程（如決策），核心概念是意識（包括決策、分類和記憶）[14]。

Vygotsky活動理論表示為主體（S）、客體（O）與中介或工具（X）三者之間的三角關系，他的學生LEONTIEV A N在先前研究的基礎上引入社會分工的概念，認為應該是主體（S）、客體（O）與社區（C）三者之間的關系，并提出了活動的層次框架，即活動（activity）、行為（action）以及操作（operation）、動機、觸發條件、目標。主體對客體的反映(包括對客體的期望)是活動的動機；人的活動是通過行為進行的；這些行為受主體有意識目標的支配；目標反映行動的客觀結果；操作是通過一系列行為實現的，每個操作由特定的條件和結構觸發；它們在沒有意識思維的情況下完成。

自20世紀80年代中期以來，活動理論作為人機交互（HCI）的基本觀點得到了探索，當時人機交互領域認識到人的活動和動機以及技術使用的重要性。國內也有學者將活動理論引入到情境感知交互設計的研究中[10,15-16]。目前活動理論已經被廣泛地應用于HCI的研究中，具有不同的目的和作用。

2.2 用戶行為分析

基于活動理論，以智慧旅游中尋路系統為例，選取典型的用戶畫像分析用戶行為如圖3所示。用戶在尋路活動中由若干個行為階段組成，包含計劃、尋找、漫游、任務完成。具體操作為：初始起點位置；計劃目的地，計劃自己想去的地方；尋找目的地（尋路）；在尋找目的地的過程中，用戶需要查看地圖，或者路標信息以確定自己路徑正確；在尋找目的地過程的同時，用戶可能會欣賞附近景點，有拍照、分享等行為；到達目的地，結束任務或者尋找下一個自己感興趣的地方，繼續尋路。

圖3 尋路系統用戶行為分析

三、用戶與系統交互分析

3.1 用戶與系統交互設計流程

人機交互注重的用戶和系統之間的溝通交流，也是一種行為的設計，因此在設計初期要充分地分析用戶的行為以及用戶行為轉化的關鍵點，以便于后續設計的實現。結合人的情境認知研究，探究特定場景下用戶行為以及轉化的關鍵節點，為交互流程以及系統的情境信息推理提供規則約束。在某種場景下，用戶動機的產生是人對目前的情境信息的感知，綜合分析理解當前情境信息產生目標，進而產生行為操作。由活動理論可知，動機產生活動，活動是由用戶的一系列行為產生，行為是由一系列的操作組成。操作包含用戶行為轉化的關鍵節點，這些是用戶與實體或界面的交互觸點，從而圍繞設計策略輸出設計方案，如圖4所示。

圖4 基于活動理論的情境感知交互設計分析

3.2 尋路系統觸點分析

3.2.1 在用戶進入尋路系統時 系統依據用戶所在環境情境，顯示用戶當前所在的位置。

3.2.2 計劃目的地 系統依據當前所在的位置以及用戶的行為偏好，在系統中顯示該位置附近可到達的景點或者建筑物。用戶可依據顯示的信息自由漫游，或者點擊目的地，系統根據情境信息推理，規劃出用戶路徑，用戶可根據路際指示到達目的地。

3.2.3 用戶尋路過程 用戶會瀏覽周圍建筑物，可根據用戶移動的位置顯示出相應建筑的標識，若用戶感興趣可點擊觀看詳細信息。

3.3 用戶與系統交互行為分析

人機交互設計還要考慮到用戶與系統交互模式，即系統的實現模型。基于GOMS任務模型與UML流程圖分析用戶與系統交互行為：將交互流程分為感知目標—操作（執行）—評估—目標階段。系統主動感知情境信息，預判交互任務的目標；通過情境推理來感知用戶的意圖，從而做出交互策略；給用戶操作反饋或界面提示；用戶感知系統的操作，查看系統的反饋信息，判斷反饋的信息是否正確？若正確則完成目標任務，若給出的反饋信息不正確，則系統繼續感知情境信息并做出反饋。系統是交互行為的主體，而用戶在整個交互流程中只是簡單地對系統的反饋進行判斷。

尋路系統用戶與系統交互行為分析如圖5所示。依據上文基于活動理論的用戶行為及觸點分析，用戶進入系統后，系統感知用戶情境信息，在用戶確定目的地之后，系統通過自適應推理后感知用戶目的，進行路線規劃并實時感知用戶情境的變化。用戶與系統間的信息傳遞模式，與傳統交互設計的信息傳遞相似，是通過界面實現的。系統依據用戶、環境、任務情境推送相關路標、建筑物以及景點的標識、建筑物信息界面、路徑指示標識等界面指導用戶完成尋路行為。

圖5 尋路場景用戶與系統交互分析

四、交互設計案例和基于情景感知的交互設計模型

4.1 尋路系統交互設計

以古村落智慧旅游的虛擬場景為例，分析尋路系統中的交互設計界面，場景如圖6所示。基于上述分析用戶行為、交互觸點以及用戶與系統交互行為，系統根據情境信息感知用戶所在的位置，顯示用戶周圍可到達的目的地。用戶選擇目的地之后開啟尋路，系統基于情感感知信息顯示路徑指示標識。在尋路過程中向用戶推薦周圍建筑物，點擊建筑物標識可以顯示建筑物詳細的信息，具體交互界面如圖7所示。

4.2 虛擬工廠交互設計案例

伴隨著虛擬現實、增強現實技術的發展，自然交互技術的興起，虛擬交互方式蓬勃發展。但是在虛擬場景中，由于自由度高、情境變化復雜，完全需要界面提示才可能準確完成任務。因此虛擬場景中需要借鑒用戶在真實世界的行為，注重對情境的理解、依據空間定位做出響應，借助真實世界中的交互設計范式。應用活動理論分析用戶行為認知基于情境的變化，做出反饋。例如虛擬工廠分揀體驗平臺[17]，基于情境和行為研究用戶在真實世界的活動規律。具體以分揀系統培訓場景為主要研究對象，用戶首先需要了解設備的參數等相關信息，然后選擇相應設備進行操作。同時需要考慮到虛擬現實中視野與真實視野的差距。具體交互設計如圖8，9所示。

圖6 古村落虛擬場景

圖7 基于情境感知尋路交互界面示例

圖8 虛擬工廠分揀系統交互界面設計

圖9 虛擬工廠分揀系統操作交互界面

4.3 基于情境感知的交互設計模型

以尋路系統和虛擬工廠分揀系統交互設計為例，總結出基于情境感知的交互設計模型，如圖10所示。該模型分為：研究層、設計分析層、系統推理層以及表現層4個層次。研究層：在情境感知交互系統設計時，首先明確要設計的情境信息有哪些？還需要分析在不同場景下的用戶需求有哪些？在特定的需求下用戶的行為是怎么變化的。設計分析層：情境感知系統需要在一定的條件時機下才會觸發，依據研究層的分析，找出在不同場景下用戶行為轉化的關鍵點，以及觸點設計分析。系統推理層：分析用戶與系統之間的交互行為模式，系統根據情境信息感知的觸點，構建合適的情境信息推理規則，同時在自適應推理過程中，應考慮到用戶的心智模型與系統表現模型的一致性。表現層：是系統依據情境信息推理做出反饋給用戶的指示，需要注意感知前后的界面變化，遵循交互界面可用性設計原則，合理地呈現情境感知系統感知的結果。

圖10 基于情境感知的交互設計模型

五、結 語

本文以智慧旅游尋路系統和虛擬工廠分揀系統中的交互設計為例，從用戶行為認知分析出發，探討用戶與系統交互與信息傳遞模式，總結出基于情境感知的移動交互設計模型，從抽象到具體分為研究層、設計分析層、系統推理層以及表現層，用于指導在交互細節的實現。