基于反馈驱动的迭代式虚拟现实原型开发：面向公众的环境数据传播

《Computers & Graphics》：Feedback-driven iterative VR prototype development for environmental data communication to the general public

　　

•一个基于VR的原型，用于在不同时空尺度上对环境数据进行上下文情境解读。
•一种以反馈驱动、迭代式的数据可视化方法，用户主动参与初始评估和重新设计评估阶段。
•关于用户如何在VR中与情境化数据进行交互并对其进行理解的实证洞察。

引言

在一个数据塑造日常决策和公共话语的世界里，对透明、具有上下文关联的数据可视化的需求日益增长。普通受众（即公众）对清晰且具有上下文关联的可视化的需求尤为强烈，他们在日常活动中频繁接触数据，但往往缺乏准确解读所需的背景知识。数据可视化可被视为信息传播的关键要素，因为视觉表现形式通常比纯文本或纯数字格式更容易被人类大脑理解[1]、[2]。正如Eberhard[1]所指出的，与基线条件（如同一信息的非视觉或结构化较弱的表现形式）相比，设计良好的可视化可以增强对问题的理解，并减少一系列判断和决策任务的反应时间。然而，在许多情况下，向公众传达数据时仍未遵循既定的最佳实践，这可能导致误解、误导性的推断和错误的结论[3]、[4]、[5]。Lisnic等人[3]、[4]广泛研究了误导性可视化的后果，这些可视化采用了可能扭曲感知的欺骗性技术，如截断或颠倒的坐标轴，或者违反既定准则和最佳实践的技术，导致准确解读和比较数值的能力受损。Lisnic等人[3]进一步强调，尽管存在这些固有缺陷，欺骗性可视化往往保留了一种可信度的幻觉，给人一种基于数据的可信洞察的错误印象。当普通受众遇到不熟悉的可视化类型时，这种影响尤为明显，超越了常见的折线图、柱状图或饼图格式，这进一步阻碍了对所传达信息的准确解读。Rodrigues等人[6]通过强调不熟悉的视觉表现形式带来的挑战解决了这一问题。他们指出，这些挑战超越了传统图表中简单的数值检索，延伸到了需要解读图形编码的任务，以及模式和关系——正是这些推理形式在使用者遇到不熟悉的可视化格式时变得更加具有挑战性。解决这个问题需要基于既定可视化原则的有依据的数据表示。概念性指南，如在设计视觉之前定义信息，与更技术性的考量相辅相成，包括Stephen R. Midway[7]的研究中概述的颜色选择对解读的影响。此外，遵循Wilkinson在《图形语法》[8]中提出的系统性框架，为进一步构建各种有效可视化提供了坚实的基础。

虽然先前的研究主要考察了2D屏幕上的传统可视化及其对用户理解和误解的影响，但在数据可视化和探索中日益增加的沉浸式、交互式系统的使用为数据可视化、传播和参与带来了充满希望的机会和新的挑战。就机会而言，沉浸式环境提供了独特的交互方法和视角，通过实现更直观的空间感知和跨多感官模态（包括视觉、听觉、触觉、体感和嗅觉）的洞察，促进了超越传统2D方法的数据探索[9]、[10]。然而，同时，在沉浸式环境中进行有效的数据可视化需要仔细关注设计、感知和用户交互的新维度。具体而言，这些考量超越了数据的准确呈现，而是涵盖了用户如何在沉浸式和空间化的方式中导航、感知和与数据交互。更广泛地说，沉浸式环境引入了额外的变量，如深度、尺度、运动和具身交互，这些变量可以微妙地影响用户的解读和整体数据体验[11]。尽管沉浸式环境的使用日益普及，但目前尚无针对在沉浸式环境中有效表示和交互数据的确立规则或指南，特别是关于数据类型多样性及其应占据的感知空间方面。

为应对这一挑战，本文研究了与从公众中选择的参与者合作设计沉浸式三维（3D）虚拟现实（VR）可视化的潜力。该研究考察了沉浸式3D VR可视化的概念化、设计和多阶段评估，采用有针对性的设计技术进行数据表示、聚合和用户交互，以促进清晰度和透明度。研究进一步让参与者贯穿整个初始评估和以反馈驱动的重新设计阶段。我们的初步研究记录于Huber等人[12]中，描述了该过程的第一阶段，即对一个VR原型进行评估并收集建设性反馈。在此基础上，本文的贡献扩展了工作，纳入了初始用户评估的结果，描述了可视化重新设计的过程，包括修改的理由、改进的实施、与用户反馈和设计目标的契合，以及对重新设计的VR原型进行第二轮评估。与初始研究一样，我们通过一个聚焦于时空情境化环境数据的用例来展示这种方法，具体而言是过去六十多年来全球各国二氧化碳排放量，结合相应的人口动态数据。

为了将本文贡献置于上下文背景中，我们在第2节回顾了先前的工作[12]。在此，我们回顾了初始用户评估以及参与者提供的建设性反馈，包括他们使用原型的体验、对数据可视化和VR交互模式的期望，以及他们认为缺失的要素。然后我们描述了VR原型的重新设计，基于最近获得的丰富数据集，以及为了评估重新设计的VR原型的有效性而采取的用户评估过程（图1），重点关注改进的视觉处理和交互功能，并评估其对传达信息清晰度和有效性的影响。

我们的贡献总结如下，反映了我们在先前和持续工作中的累积努力：
•VR中的情境化数据可视化：一个基于VR的原型，用于情境化数据可视化，支持在不同时空尺度上对环境数据进行上下文解读（即全球/国家层面，按年度划分）。
•以反馈驱动的VR可视化设计过程：将既定的以用户为中心的迭代设计原则应用于基于VR的数据可视化，展示了两轮基于任务的评估（与包括缺乏或没有VR经验的普通参与者一起进行）如何为沉浸式环境数据表示提供具体的设计改进。我们记录了在VR环境中应用迭代设计的流程、挑战和成果，而该环境中既有的以2D为中心的框架并不能直接转化适用。
•实证评估洞察：关于用户如何在VR中与情境化数据进行交互并对其进行理解的实证洞察，包括他们对视觉表示和交互设计的需求和要求。

章节片段

情境化VR可视化

一般来说，情境化可视化指一种范式，其中数据直接嵌入与数据上下文相关的物理空间、对象和环境[13]。通过这种数据映射，用户可以相对于底层现实世界现象直接解读信息，减少认知负荷，促进上下文洞察和理解。这种可视化范式对于沉浸式应用尤为重要，因为其日益增加的

方法论

在本节中，我们描述了VR原型使用的底层数据、VR原型重新设计的决策过程、技术实施、评估研究设计以及参与者招募过程。具体而言，我们区分了初始系统和重新设计的系统：数据已得到丰富，重新设计的原型纳入了先前识别的用户建议，而技术基础仍基于Unity引擎。关于参与者，由于参与者数量有限，评估仅包括原始用户研究中的5名参与者和15名新参与者（n=20；7名女性，12名男性，1名不愿透露）。平均年龄为32.85岁（标准差=7.55）。在视觉计算领域方面，3名参与者（1名重复参与）为外行，4名（2名重复参与）为硕士生，13名（2名重复参与）为博士生或更高学历。所有参与者都有VR经验：5人体验过一次，11人

讨论

在初始研究[12]中，我们证明了我们的VR原型增强了非专业用户（对气候相关方面仅有有限或基础知识）对多维环境（二氧化碳）数据的理解。考虑到第二次迭代中引入的额外功能和数据维度，我们能够突出展示这如何为新参与者和回归参与者促进更深层次的知识获取。大多数问题（见表1）都得到了正确回答，Q3

批判性反思与局限性

参与者群体受教育程度很高，相对年轻，以男性为主，且已熟悉VR技术。这限制了研究结果的可推广性，需要更广泛、更多样的样本来支持更广泛的结论。因此，我们的结果应被解读为指示性的，而非优越性或广泛可推广性的确凿证据。四分之一的参与者（5人）已在之前的研究中使用了该应用程序。尽管所有重复参与的

结论与未来工作

随着VR原型的第二次迭代，通过新的可视化类型引入了关于二氧化碳排放的额外数据维度和视角。这使得用户不仅能够从全球范围内各自空间上下文中情境化地查看数据，还能通过比较分析更深入地研究数据，从而实现了更深层次的理解。参与者还表现出对其所获得洞察的推理有更大的兴趣。

CRediT作者贡献声明

Marlene Huber：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。
Johannes Eschner：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，形式分析，概念化。
Hannes Kaufmann：撰写——审阅与编辑，概念化。
Katharina Kr?sl：概念化。
Milena Vuckovic：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

VRVis GmbH由BMIMI、BMWET、蒂罗尔、福拉尔贝格和维也纳商务署在COMET——优秀技术胜任中心范围内资助（904918，911654），由FFG管理。本文使用Grammarly进行编辑以提高写作和语法水平。

Marlene Huber|Johannes Eschner|Hannes Kaufmann|Katharina Kr?sl|Milena Vuckovic