混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)是近年來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域的重大突破之一，其通過(guò)空間計(jì)算將數(shù)字世界與物理世界無(wú)縫融合，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)世界的實(shí)時(shí)交互。混合現(xiàn)實(shí)不僅在教育、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力，在娛樂(lè)領(lǐng)域也帶來(lái)了革命性的改變。例如，HoloLens 2等MR設(shè)備的出現(xiàn)，使得數(shù)字內(nèi)容能夠嵌入到真實(shí)環(huán)境中，從而增強(qiáng)了用戶的沉浸感和交互體驗(yàn)。然而，目前混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用仍然相對(duì)局限。以微軟的HoloLens平臺(tái)為例，雖然該平臺(tái)發(fā)布了超過(guò)三百個(gè)應(yīng)用程序，但其中僅有不到5%的應(yīng)用被歸類為“游戲”類別，而且多數(shù)游戲仍偏向虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）體驗(yàn)，缺乏充分的物理世界與數(shù)字世界的交互。

本研究旨在通過(guò)探討混合現(xiàn)實(shí)游戲的空間設(shè)計(jì)和交互模式，探索如何最大限度地發(fā)揮混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲中的優(yōu)勢(shì)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了兩款游戲，分別是高刺激的動(dòng)作射擊游戲《法師防御》和低刺激的解謎游戲《全息園丁》。通過(guò)HoloLens 2設(shè)備對(duì)14名參與者的腦電波（EEG數(shù)據(jù)）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合用戶的主觀反饋，深入分析不同類型游戲?qū)ν婕艺J(rèn)知負(fù)荷、情緒反應(yīng)以及游戲體驗(yàn)的影響。

一、研究方法

游戲開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

為了探索不同類型的混合現(xiàn)實(shí)游戲?qū)ν婕殷w驗(yàn)的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩款類型截然不同的游戲。一款是充滿動(dòng)作和刺激的高強(qiáng)度游戲《法師防御》，另一款是以思維和策略為主的低強(qiáng)度解謎游戲《全息園丁》。

高刺激游戲：《法師防御》是一款強(qiáng)調(diào)快速反應(yīng)和復(fù)雜動(dòng)作的高刺激游戲。玩家將扮演一位法師，通過(guò)注視敵人并通過(guò)手勢(shì)（例如張開(kāi)和閉合拳頭）來(lái)施放魔法擊敗敵人。游戲設(shè)有三個(gè)關(guān)卡，每個(gè)關(guān)卡的難度逐步增加。第一關(guān)中，玩家僅需通過(guò)簡(jiǎn)單手勢(shì)擊退逐步接近的敵人；第二關(guān)中，玩家需要面對(duì)遠(yuǎn)程攻擊的敵人，利用物理環(huán)境中的物體（如盒子）作為掩體；在第三關(guān)，玩家必須同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，包括用左手阻擋敵人的攻擊并通過(guò)右手手勢(shì)施法反擊。這款游戲旨在通過(guò)不斷增加動(dòng)作復(fù)雜度和環(huán)境壓力來(lái)激發(fā)玩家的高強(qiáng)度參與感與反應(yīng)能力。

圖1：《法師防御》中的玩家互動(dòng)：（左）一名玩家佩戴著微軟HoloLens 2全息眼鏡和Emotiv Insight腦電波頭帶，躲在實(shí)體障礙物后面躲避遠(yuǎn)程敵人的攻擊。（右）HoloLens 2視頻流的截圖顯示玩家使用準(zhǔn)星瞄準(zhǔn)并用手勢(shì)射擊敵人。

低刺激游戲：《全息園丁》則是一款解謎類游戲，玩家需要在虛擬園藝環(huán)境中通過(guò)思考和解決謎題來(lái)完成任務(wù)。在游戲的第一關(guān)，玩家需要導(dǎo)航空間并找到隱藏的鑰匙；第二關(guān)中，增加了復(fù)雜的物理互動(dòng)，玩家需要旋轉(zhuǎn)并對(duì)齊多個(gè)3D箭頭，以匹配特定的時(shí)間；最后一關(guān)結(jié)合了現(xiàn)實(shí)世界的物理對(duì)象，玩家必須移動(dòng)盒子來(lái)阻擋即將撞擊的虛擬火箭。該游戲通過(guò)逐步遞增的任務(wù)難度，促使玩家進(jìn)行邏輯推理和策略思考，從而提高了游戲的深度與挑戰(zhàn)性。

圖2：玩家在《全息園丁》中進(jìn)行解謎活動(dòng)：（左）一名玩家使用箱子阻擋數(shù)字火箭在第三關(guān)。（右）HoloLens 2視頻流的截圖顯示游戲完成屏幕，表明玩家已經(jīng)解決了所有三個(gè)關(guān)卡。屏幕上展示了三個(gè)寶箱，每個(gè)寶箱在關(guān)卡結(jié)束時(shí)被打開(kāi)。

數(shù)據(jù)采集與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了全面評(píng)估這兩款游戲?qū)ν婕殷w驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合了主觀與客觀數(shù)據(jù)的采集方法。實(shí)驗(yàn)總共邀請(qǐng)了14名參與者，通過(guò)隨機(jī)分配的方式，確保每名參與者都能夠體驗(yàn)到不同類型的游戲。每位參與者都佩戴了EEG設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)他們的大腦活動(dòng)，同時(shí)使用HoloLens 2設(shè)備進(jìn)行游戲體驗(yàn)。

設(shè)備選擇：本實(shí)驗(yàn)使用HoloLens 2設(shè)備，借助其強(qiáng)大的空間感知和圖像顯示能力，為參與者提供真實(shí)的混合現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。同時(shí)，為了捕捉玩家在游戲中的腦電活動(dòng)，使用了Emotiv Insight EEG設(shè)備，記錄大腦的五個(gè)主要通道（AF3、AF4、T7、T8、Pz）上的腦電波數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可以反映玩家在執(zhí)行游戲任務(wù)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷、情緒波動(dòng)等心理狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)流程：每位參與者在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前需要填寫一份基本信息調(diào)查問(wèn)卷，隨后開(kāi)始佩戴EEG設(shè)備并啟動(dòng)HoloLens 2設(shè)備。每輪游戲時(shí)長(zhǎng)限制為7分鐘，實(shí)驗(yàn)期間，參與者需要完成相應(yīng)的任務(wù)。每輪游戲后將有5分鐘的休息時(shí)間，確保玩家能夠在不受疲勞影響的情況下參與下一輪游戲。在完成實(shí)驗(yàn)后，參與者需要填寫三份問(wèn)卷：包括用戶體驗(yàn)問(wèn)卷（UEQ）、NASA任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（NASA TLX）以及每款游戲的特定問(wèn)卷。問(wèn)卷內(nèi)容涵蓋了玩家對(duì)游戲的總體反饋、認(rèn)知負(fù)荷感受以及交互方式的評(píng)價(jià)。

數(shù)據(jù)類型

客觀數(shù)據(jù)：通過(guò)EEG設(shè)備，實(shí)時(shí)記錄玩家的大腦電波頻段（如δ波、θ波、α波等），為分析玩家在游戲中的情緒反應(yīng)、認(rèn)知負(fù)荷及注意力水平提供客觀數(shù)據(jù)。

主觀數(shù)據(jù)：通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查收集參與者對(duì)游戲的整體體驗(yàn)、控制方式、手勢(shì)操作的易用性以及游戲設(shè)計(jì)的反饋。

二、研究結(jié)果與分析

EEG數(shù)據(jù)分析

從EEG數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來(lái)看，高刺激游戲與低刺激游戲?qū)ν婕业拇竽X活動(dòng)有顯著影響。在《法師防御》中，參與者的前額皮質(zhì)區(qū)域顯示出明顯的δ波（1-4Hz）和θ波（4-8Hz）功率增強(qiáng)，表明游戲中需要快速反應(yīng)和決策的任務(wù)引發(fā)了較高的認(rèn)知負(fù)荷和情緒喚醒。而在《全息園丁》中，盡管整體腦電波活動(dòng)的功率較低，但α波（8-14Hz）活動(dòng)的增加則表明玩家處于相對(duì)放松和專注的狀態(tài)。這一差異清晰地反映了兩款游戲設(shè)計(jì)在認(rèn)知需求和情緒調(diào)動(dòng)上的不同。

進(jìn)一步分析還發(fā)現(xiàn)，高刺激游戲要求玩家在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速反應(yīng)，因此參與者表現(xiàn)出較強(qiáng)的注意力集中與興奮情緒。相反，低刺激游戲通過(guò)深度的思維互動(dòng)和物理任務(wù)，激發(fā)了玩家的專注力與邏輯推理能力，參與者的情緒狀態(tài)較為平穩(wěn)，且專注度有所提高。這些腦電數(shù)據(jù)的變化為游戲設(shè)計(jì)提供了有力支持，證明了高刺激游戲適合訓(xùn)練反應(yīng)速度和決策能力，而低刺激游戲則更能提高玩家的思維深度和策略性。

圖3：《法師防御》（上）和《全息園丁》（下）的地形腦活動(dòng)熱圖，顯示了不同頻率帶的平均功率值（以分貝dB表示）：δ (1-4 Hz), θ (4-8 Hz), α (8-14 Hz), β (14-30 Hz), and γ (30-47 Hz).

問(wèn)卷反饋分析

從用戶體驗(yàn)問(wèn)卷（UEQ）的結(jié)果來(lái)看，《法師防御》的動(dòng)作設(shè)計(jì)與手勢(shì)控制得到了參與者的高度評(píng)價(jià)。大多數(shù)玩家認(rèn)為游戲的操作非常直觀，能夠迅速上手，且由于游戲節(jié)奏快，能夠有效提升他們的注意力和反應(yīng)速度。而《全息園丁》則因其富有邏輯性和趣味性的解謎任務(wù)獲得了良好的評(píng)價(jià)。玩家普遍認(rèn)為該游戲能夠有效鍛煉他們的思維能力，并且對(duì)游戲中物理與虛擬空間的融合表現(xiàn)出了高度的認(rèn)可。

NASA任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（NASA TLX）顯示，《法師防御》在認(rèn)知和身體負(fù)荷方面得分較高，表明這款高刺激游戲?qū)ν婕业捏w力與思維要求較大。而《全息園丁》的負(fù)荷較輕，參與者普遍表示其更適合長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行游戲。游戲特定問(wèn)卷也揭示了多模態(tài)交互設(shè)計(jì)的重要性，尤其是在高刺激游戲中，注視和手勢(shì)的結(jié)合大大增強(qiáng)了玩家的沉浸感。然而，部分玩家指出，在高強(qiáng)度的游戲場(chǎng)景下，手勢(shì)識(shí)別的準(zhǔn)確性偶有不穩(wěn)定，影響了游戲體驗(yàn)的流暢度。

三、討論與結(jié)論

綜合EEG數(shù)據(jù)與主觀問(wèn)卷的分析結(jié)果，本研究驗(yàn)證了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲設(shè)計(jì)中的巨大潛力。高刺激游戲通過(guò)快速反應(yīng)和決策訓(xùn)練，提高了玩家的認(rèn)知負(fù)荷和情緒喚醒，適合用于短時(shí)間內(nèi)提升反應(yīng)能力和任務(wù)處理效率；而低刺激游戲則通過(guò)策略性思考與物理互動(dòng)，激發(fā)了玩家的專注力和深度思維，適合長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行深度游戲和思維訓(xùn)練。

盡管本研究取得了積極成果，但仍然存在一定局限性。首先，樣本量較小，可能影響研究結(jié)論的統(tǒng)計(jì)顯著性。其次，EEG設(shè)備的分辨率和靈敏度仍有待提升，原始數(shù)據(jù)中存在偽跡，這可能影響對(duì)大腦活動(dòng)的精確評(píng)估。未來(lái)研究應(yīng)考慮擴(kuò)大樣本規(guī)模，優(yōu)化設(shè)備精度，并結(jié)合更多維度的數(shù)據(jù)（如生理反應(yīng)和行為數(shù)據(jù)）進(jìn)行深入分析。

總之，本研究通過(guò)開(kāi)發(fā)兩款混合現(xiàn)實(shí)游戲并結(jié)合EEG與問(wèn)卷數(shù)據(jù)，展示了MR技術(shù)在游戲設(shè)計(jì)中的應(yīng)用潛力。這些研究成果為未來(lái)的混合現(xiàn)實(shí)游戲設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)踐指導(dǎo)，也為探索人機(jī)交互的新方式和應(yīng)用提供了新的思路。

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