用于创建沉浸式VR环境的跨设备协作系统的设计研究

Design Research on a Cross-Device Collaboration System for Creating Immersive VR Environments

陈子元
关 键 词: 虚拟现实,跨设备协作,跨现实协作,沉浸式虚拟环境,变换操作
Keywords: VR, Cross-device Collaboration, Immersive Virtual Environments, Cross-reality Collaboration, Transformation Operations
摘 要
  随着沉浸式虚拟环境(Immersive Virtual Environment,IVE)在文化教育、工程指导与建筑评审等领域中日益广泛的应用,IVE 的创建效率与质量成为关键瓶颈。当前业界内的工作流程通常采用“PC 端编辑—VR 端检视—返回 PC 端修改”的串行工作模式,频繁的设备切换不仅增加时间与体力消耗,也带来情境重建与认知断层等问题,进而限制整体的工作效率。
  尽管已有研究与实践工具尝试在 VR 环境中直接创建 IVE,但受限于输入精度与控制稳定性,VR 单端难以胜任全部的编辑任务,如何整合 VR 的具身空间感知优势与 PC 的精准符号控制能力,构建跨设备协作的系统,成为提升 IVE 创建流程的效率的潜在路径。基于此,本研究提出核心研究问题:如何设计一套 VR–PC 跨设备同步协作系统,以优化创建 IVE 现有的工作流程。
  基于前期的调研与专家访谈结果,本研究将 IVE 的创建过程抽象为以“变换操作”为核心的一系列基础操作及其组合,并通过设计组内实验系统比较 VR 与 PC 端在典型的变换操作任务中的表现差异。结果表明,PC 端更适合参数化输入与轴向约束变换等高精度的离散控制任务,而 VR 端在物体空间定位与多物体拼贴等依赖具身感知能力的任务中表现更优,验证了两类设备在操作能力上的结构性差异。
  在此结果的基础上,结合分布式认知理论、共同活动理论和 CSCW协同工作理论等理论,本研究提出了设计 VR-PC 跨设备协作系统的四项关键设计原则,分别是认知能力互补原则、共享状态与实时同步原则、操作映射等价性原则以及低协调成本原则。依据上述原则的指导,设计并开发了一套可用于创建 IVE 的 VR–PC 跨设备协作系统原型。
  最后,本研究选取了虚拟展馆的搭建作为实验场景,开展组间对照实验,结合定量分析与定性分析,评估指标从任务完成时间、任务完成率、操作返工次数、设备切换成本以及用户协作体验等多个维度,验证了相较于传统的单人串行工作流程,VR–PC 跨设备协作方式在整体任务的人时投入、任务达成稳定性、返工控制方面均有更好的表现,并提升了用户的协作工作体验,从而证实了所提出的四项关键原则的有效性。
Abstract
  With the growing adoption of Immersive Virtual Environments (IVEs) in fields such as cultural education, engineering guidance, and architectural review, improving both the efficiency and quality of IVE creation has become increasingly important. The prevailing workflow in industry typically follows a sequential pattern: editing on a desktop (PC), reviewing in VR, and then returning to the PC for further adjustments. This repeated switching between devices not only increases time and physical effort, but also introduces contextual reconstruction and cognitive discontinuity, ultimately limiting overall productivity.
  Although recent research and tools have explored creating IVEs directly within VR, limitations in input precision and control stability make it difficult for VR alone to handle the full range of editing tasks. Integrating the embodied spatial perception afforded by VR with the precise symbolic control provided by PC platforms therefore presents a promising direction for improving IVE creation workflows. Against this background, this study addresses the following core question: how can a VR–PC cross-device collaborative system be designed to optimize the existing IVE creation process?
  Based on a comprehensive literature review and expert interviews, this study conceptualizes the creation of an IVE as a process centered on fundamental “transformation operations” and their combinations. A within-subject experimental study was also conducted to systematically compare the performance of VR and PC in representative transformation tasks. The results indicate that PC is better suited for parameterized input and constrained axial transformations requiring stable control, whereas VR performs better in tasks that rely on embodied spatial perception, such as spatial positioning and multi-object alignment. These findings reveal structural differences in the cognitive affordances of the two platforms.
  Building on these results, and informed by Distributed Cognition Theory, Joint Activity Theory, and CSCW (Computer-Supported Cooperative Work) perspectives, this study proposes four key design principles for VR–PC cross-device collaboration: cognitive complementarity, shared state and real-time synchronization, operational mapping equivalence, and low coordination cost. Guided by these principles, a prototype VR–PC collaborative system for IVE creation was designed and implemented.
  At last, this study used the virtual exhibition construction as the experimental scenario. A between-group comparative study was conducted, combining quantitative and qualitative analyses. Evaluation metrics included task completion time, completion rate, rework frequency, and device-switching cost. The results demonstrate that, compared with the traditional single-user sequential workflow, the VR–PC collaborative approach achieves better overall person-time efficiency, greater task stability, and improved control over rework. The findings also support the effectiveness of the proposed design principles.
目 录 · Contents
第1章 绪论
 1.1 研究背景
  1.1.1 沉浸式VR环境的发展与应用价值
  1.1.2 沉浸式VR环境的创建与现实挑战
 1.2 研究问题与意义
  1.2.1 研究问题
  1.2.2 研究意义
 1.3 研究内容与方法
  1.3.1 研究内容
  1.3.2 研究方法
 1.4 研究创新点
 1.5 论文结构
第2章 研究综述
 2.1 在VR原生环境中直接编辑VR内容
  2.1.1 VR原生编辑工具的研究与局限性
  2.1.2 业界主流工具分析
 2.2 VR-PC的“跨设备+跨现实”协作
 2.3 VR与PC中的操作能力的对比
 2.4 现有研究存在的不足
第3章 创建IVE过程中的核心变换操作
 3.1 专家访谈
  3.1.1 访谈目的
  3.1.2 访谈对象
  3.1.3 访谈过程
  3.1.4 访谈结果整理
 3.2 VR-PC变换操作对比实验
  3.2.1 实验目的
  3.2.2 实验设计
  3.2.3 实验材料
  3.2.4 实验实施
 3.3 实验结果分析
  3.3.1 数据评估指标
  3.3.2 数据预处理和统计方法
  3.3.3 实验数据分析
  3.3.4 用户体验访谈
 3.4 实验结论
第4章 VR-PC跨设备协作的交互设计原则
 4.1 跨设备协作的理论支撑
  4.1.1 分布式认知理论
  4.1.2 共同活动理论
  4.1.3 CSCW协同工作理论
 4.2 其他理论补充
  4.2.1 具身认知理论
  4.2.2 交互设计逻辑
 4.3 设备能力差异模型的构建
 4.4 VR-PC跨设备协作系统的核心设计原则
  4.4.1 原则A:认知能力互补原则
  4.4.2 原则B:共享状态与实时同步原则
  4.4.3 原则C:操作映射等价性原则
  4.4.4 原则D:低协调成本原则
  4.4.5 四项核心设计原则的指导作用
第5章 VR-PC跨设备协作系统的设计与开发
 5.1 系统设计流程与设计内容
  5.1.1 系统设计目标
  5.1.2 基于用户体验五要素的设计路径
 5.2 单端操作系统的功能需求
  5.2.1 PC端功能需求
  5.2.2 VR端功能需求
 5.3 单端操作系统的交互设计方案
  5.3.1 PC端交互设计方案
  5.3.2 PC 端交互界面布局
  5.3.3 VR 端交互设计方案
 5.4 跨设备联机协作系统开发
  5.4.1 跨设备联机系统的技术实现
  5.4.2 设备模式选择与运行环境切换机制
  5.4.3 双端用户的Avatar同步
  5.4.4 并发编辑与冲突处理策略
  5.4.5 任务日志与位置传送模块
第6章 跨设备协作系统与传统工作流程的对比实验
 6.1 实验目的
 6.2 实验设计
  6.2.1 实验方法
  6.2.2 实验任务
  6.2.3 实验被试者
  6.2.4 实验流程
 6.3 实验材料
  6.3.1 内容材料
  6.3.2 实验测量数据
  6.3.3 实验数据记录方法
 6.4 实验实施
  6.4.1 实验环境
  6.4.2 实验完成情况
 6.5 实验结果分析
  6.5.1 实验一数据评估指标与统计方法
  6.5.2 实验一实验数据分析
  6.5.3 实验一用户体验指标
  6.5.4 实验二专家量表问卷结果
  6.5.5 实验二用户体验访谈
 6.6 实验结论
第7章 结论与展望
 7.1 研究成果总结
 7.2研究局限性
 7.3未来展望
参考文献
附录A 专家半结构访谈大纲
附录B 变换操作对比实验访谈材料
附录C 核心功能代码
附录D 实验用户测试与访谈材料
致谢
个人简历、在读期间发表的学术成果
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