IEEE | 全息游戏：混合现实平台上游戏机制与玩家体验因素的研究

混合现实（MR）技术是近年来信息技术领域的重大突破之一，其通过空间计算将数字世界与物理世界无缝融合，实现了两个世界的实时交互。混合现实不仅在教育、医疗、建筑等领域展现出强大的应用潜力，在娱乐领域也带来了革命性的改变。例如，HoloLens 2等MR设备的出现，使得数字内容能够嵌入到真实环境中，从而增强了用户的沉浸感和交互体验。然而，目前混合现实技术在游戏领域的应用仍然相对局限。以微软的HoloLens平台为例，虽然该平台发布了超过三百个应用程序，但其中仅有不到5%的应用被归类为“游戏”类别，而且多数游戏仍偏向虚拟现实（VR）体验，缺乏充分的物理世界与数字世界的交互。

本研究旨在通过探讨混合现实游戏的空间设计和交互模式，探索如何最大限度地发挥混合现实技术在游戏中的优势。为此，我们设计并开发了两款游戏，分别是高刺激的动作射击游戏《法师防御》和低刺激的解谜游戏《全息园丁》。通过HoloLens 2设备对14名参与者的脑电波（EEG数据）进行实时监测，并结合用户的主观反馈，深入分析不同类型游戏对玩家认知负荷、情绪反应以及游戏体验的影响。

一、研究方法

游戏开发与设计

为了探索不同类型的混合现实游戏对玩家体验的影响，我们设计了两款类型截然不同的游戏。一款是充满动作和刺激的高强度游戏《法师防御》，另一款是以思维和策略为主的低强度解谜游戏《全息园丁》。

高刺激游戏：《法师防御》是一款强调快速反应和复杂动作的高刺激游戏。玩家将扮演一位法师，通过注视敌人并通过手势（例如张开和闭合拳头）来施放魔法击败敌人。游戏设有三个关卡，每个关卡的难度逐步增加。第一关中，玩家仅需通过简单手势击退逐步接近的敌人；第二关中，玩家需要面对远程攻击的敌人，利用物理环境中的物体（如盒子）作为掩体；在第三关，玩家必须同时进行多项任务，包括用左手阻挡敌人的攻击并通过右手手势施法反击。这款游戏旨在通过不断增加动作复杂度和环境压力来激发玩家的高强度参与感与反应能力。

图1：《法师防御》中的玩家互动：（左）一名玩家佩戴着微软HoloLens 2全息眼镜和Emotiv Insight脑电波头带，躲在实体障碍物后面躲避远程敌人的攻击。（右）HoloLens 2视频流的截图显示玩家使用准星瞄准并用手势射击敌人。

低刺激游戏：《全息园丁》则是一款解谜类游戏，玩家需要在虚拟园艺环境中通过思考和解决谜题来完成任务。在游戏的第一关，玩家需要导航空间并找到隐藏的钥匙；第二关中，增加了复杂的物理互动，玩家需要旋转并对齐多个3D箭头，以匹配特定的时间；最后一关结合了现实世界的物理对象，玩家必须移动盒子来阻挡即将撞击的虚拟火箭。该游戏通过逐步递增的任务难度，促使玩家进行逻辑推理和策略思考，从而提高了游戏的深度与挑战性。

图2：玩家在《全息园丁》中进行解谜活动：（左）一名玩家使用箱子阻挡数字火箭在第三关。（右）HoloLens 2视频流的截图显示游戏完成屏幕，表明玩家已经解决了所有三个关卡。屏幕上展示了三个宝箱，每个宝箱在关卡结束时被打开。

数据采集与实验设计

为了全面评估这两款游戏对玩家体验的影响，实验设计结合了主观与客观数据的采集方法。实验总共邀请了14名参与者，通过随机分配的方式，确保每名参与者都能够体验到不同类型的游戏。每位参与者都佩戴了EEG设备，实时监测他们的大脑活动，同时使用HoloLens 2设备进行游戏体验。

设备选择：本实验使用HoloLens 2设备，借助其强大的空间感知和图像显示能力，为参与者提供真实的混合现实体验。同时，为了捕捉玩家在游戏中的脑电活动，使用了Emotiv Insight EEG设备，记录大脑的五个主要通道（AF3、AF4、T7、T8、Pz）上的脑电波数据。该数据可以反映玩家在执行游戏任务时的认知负荷、情绪波动等心理状态。

实验流程：每位参与者在实验开始前需要填写一份基本信息调查问卷，随后开始佩戴EEG设备并启动HoloLens 2设备。每轮游戏时长限制为7分钟，实验期间，参与者需要完成相应的任务。每轮游戏后将有5分钟的休息时间，确保玩家能够在不受疲劳影响的情况下参与下一轮游戏。在完成实验后，参与者需要填写三份问卷：包括用户体验问卷（UEQ）、NASA任务负荷指数（NASA TLX）以及每款游戏的特定问卷。问卷内容涵盖了玩家对游戏的总体反馈、认知负荷感受以及交互方式的评价。

数据类型

客观数据：通过EEG设备，实时记录玩家的大脑电波频段（如δ波、θ波、α波等），为分析玩家在游戏中的情绪反应、认知负荷及注意力水平提供客观数据。

主观数据：通过问卷调查收集参与者对游戏的整体体验、控制方式、手势操作的易用性以及游戏设计的反馈。

二、研究结果与分析

EEG数据分析

从EEG数据的分析结果来看，高刺激游戏与低刺激游戏对玩家的大脑活动有显著影响。在《法师防御》中，参与者的前额皮质区域显示出明显的δ波（1-4Hz）和θ波（4-8Hz）功率增强，表明游戏中需要快速反应和决策的任务引发了较高的认知负荷和情绪唤醒。而在《全息园丁》中，尽管整体脑电波活动的功率较低，但α波（8-14Hz）活动的增加则表明玩家处于相对放松和专注的状态。这一差异清晰地反映了两款游戏设计在认知需求和情绪调动上的不同。

进一步分析还发现，高刺激游戏要求玩家在短时间内进行快速反应，因此参与者表现出较强的注意力集中与兴奋情绪。相反，低刺激游戏通过深度的思维互动和物理任务，激发了玩家的专注力与逻辑推理能力，参与者的情绪状态较为平稳，且专注度有所提高。这些脑电数据的变化为游戏设计提供了有力支持，证明了高刺激游戏适合训练反应速度和决策能力，而低刺激游戏则更能提高玩家的思维深度和策略性。

图3：《法师防御》（上）和《全息园丁》（下）的地形脑活动热图，显示了不同频率带的平均功率值（以分贝dB表示）：δ (1-4 Hz), θ (4-8 Hz), α (8-14 Hz), β (14-30 Hz), and γ (30-47 Hz).

问卷反馈分析

从用户体验问卷（UEQ）的结果来看，《法师防御》的动作设计与手势控制得到了参与者的高度评价。大多数玩家认为游戏的操作非常直观，能够迅速上手，且由于游戏节奏快，能够有效提升他们的注意力和反应速度。而《全息园丁》则因其富有逻辑性和趣味性的解谜任务获得了良好的评价。玩家普遍认为该游戏能够有效锻炼他们的思维能力，并且对游戏中物理与虚拟空间的融合表现出了高度的认可。

NASA任务负荷指数（NASA TLX）显示，《法师防御》在认知和身体负荷方面得分较高，表明这款高刺激游戏对玩家的体力与思维要求较大。而《全息园丁》的负荷较轻，参与者普遍表示其更适合长时间进行游戏。游戏特定问卷也揭示了多模态交互设计的重要性，尤其是在高刺激游戏中，注视和手势的结合大大增强了玩家的沉浸感。然而，部分玩家指出，在高强度的游戏场景下，手势识别的准确性偶有不稳定，影响了游戏体验的流畅度。

三、讨论与结论

综合EEG数据与主观问卷的分析结果，本研究验证了混合现实技术在游戏设计中的巨大潜力。高刺激游戏通过快速反应和决策训练，提高了玩家的认知负荷和情绪唤醒，适合用于短时间内提升反应能力和任务处理效率；而低刺激游戏则通过策略性思考与物理互动，激发了玩家的专注力和深度思维，适合长时间进行深度游戏和思维训练。

尽管本研究取得了积极成果，但仍然存在一定局限性。首先，样本量较小，可能影响研究结论的统计显著性。其次，EEG设备的分辨率和灵敏度仍有待提升，原始数据中存在伪迹，这可能影响对大脑活动的精确评估。未来研究应考虑扩大样本规模，优化设备精度，并结合更多维度的数据（如生理反应和行为数据）进行深入分析。

总之，本研究通过开发两款混合现实游戏并结合EEG与问卷数据，展示了MR技术在游戏设计中的应用潜力。这些研究成果为未来的混合现实游戏设计提供了重要的实践指导，也为探索人机交互的新方式和应用提供了新的思路。

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