头戴式显示器与桌面平台在远程协作虚拟环境中的生理与感知响应建模：一项对比研究及其工业应用价值

本研究针对远程协作中三维数据共享的难题，通过对比头戴式显示器（HMD）与桌面PC平台在工业装配任务中的表现，结合主观感知与生理指标（ECG、GSR），发现HMD显著提升空间临场感与真实感，同时降低认知负荷并增强生理唤醒水平。结构方程模型（SEM）揭示感知工作负荷在界面类型与皮肤电反应（GSR）间的中介作用，为虚拟现实（VR）协作系统的优化设计提供重要依据。

　　

在数字化浪潮席卷全球的背景下，远程协作已成为工程、建筑和医疗等领域不可或缺的工作模式。然而，传统二维视频会议难以满足三维数据共享的需求，导致沟通效率低下和项目延误。虚拟环境（VE）通过头戴式显示器（HMD）或桌面PC平台提供空间内容呈现，但其对不同协作场景的影响机制尚不明确。尤其缺乏对需要平等参与的工业装配任务中用户生理与感知响应的系统研究。

为解决这一问题，美国伊利诺伊大学芝加哥分校的研究团队开展了一项创新性研究，比较HMD与PC平台在远程协作虚拟环境中的表现。研究招募48名参与者（24对），通过四组协作场景（HMD-HMD、HMD-PC、PC-HMD、PC-PC）完成三维模型装配任务，结合NASA任务负荷指数（NASA-TLX）、系统可用性量表（SUS）和Igroup临场感问卷（IPQ）等主观评估，以及心电图（ECG）和皮肤电活动（GSR）等生理测量，揭示了界面类型对用户体验的多维度影响。论文发表在《Computers in Human Behavior Reports》，为VR协作系统的设计提供了重要依据。

研究采用多项关键技术：1）基于Spatial.io平台构建多用户共享虚拟工作空间；2）通过Meta Oculus Quest 2 HMD与Dell PC实现跨平台协作；3）使用BIOPAC系统采集ECG（R-R间期RMSSD分析）和GSR（非特异性皮肤电反应NS-SCRs）；4）结构方程模型（SEM）分析界面类型与生理指标的关联路径。

研究结果部分：

1. NASA-TLX分析：HMD-HMD协作的感知工作负荷显著低于PC-HMD和PC-PC场景（p<0.01），表明HMD能有效降低任务压力。
2. 系统可用性：HMD-HMD的SUS评分高于PC平台（p<0.001），突显其操作便捷性优势。
3. 临场感体验：HMD组在空间临场感、参与度和真实感维度均显著优于PC组（p<0.001），证实沉浸式界面的环境模拟能力。
4. 生理响应：HMD场景下RMSSD值降低（反映更高唤醒水平）且NS-SCRs峰值频率增加（p<0.01），揭示其独特的"低认知负荷-高生理唤醒"现象。
5. SEM模型：发现感知工作负荷在界面类型与GSR间起中介作用（β=-0.572，p<0.05），解释HMD通过降低主观压力提升生理激活的机制。

讨论部分指出，HMD界面打破了传统认知负荷与生理唤醒的正相关规律，其沉浸特性可能通过增强参与动机而非任务难度来驱动生理反应。这一发现对工业协作场景具有双重意义：既通过降低工作负荷提升效率，又通过高唤醒状态维持操作专注度。研究还发现用户体验主要受自身界面影响，合作方设备类型作用有限，这对异构设备协作系统的兼容性设计提出新要求。

该研究的创新性在于首次将生理测量与SEM分析结合，系统阐释了VR界面影响协作效能的生物心理学机制。局限性包括任务类型单一性和样本代表性不足，未来需扩展至医疗培训等更多应用场景。这些发现为元宇宙时代远程协作工具的研发提供了重要启示：优化HMD交互设计将同时提升用户体验与团队效能，推动虚拟协作从技术可行性向生理友好性跨越。