面向儿童的交互创作系统PaperJeemo 设计研究
- Update:2015-09-22
- 龚江涛Gong Jiangtao谭斯瑞Tan Sirui徐迎庆Xu Yingqing
- 来源: 2015年第6期
内容摘要
本文介绍了一个面向儿童的辅助折纸创作交互系统PaperJeemo。该系统探索了如何设计面向儿童的用户交互界面及其普遍可用性（universal usability）。PaperJeemo 作为一个主要面向儿童的折纸创作工具，可以为全年龄段的儿童和成人提供折纸创作的辅助。它不仅为有儿童的家庭提供易用的亲子教育互动方式，也同样支持没有专业技巧的成年人制作复杂折纸模型，或者在小组协作中制作快速原型。实验表明，无论儿童还是成年人，都可以很容易地使用PaperJeemo 进行折纸创作。
一、儿童需要创作工具
创作型工具指的是一些可以辅助制作创意作品的工具。计算机辅助设计技术的目标就是为用户在任何领域——包括科学与艺术、工作与娱乐——的创造性工作提供支持[1]，例如平面设计创作工具Photoshop、软件设计工具UML 等。我们在进行创作时，通常需要以上这些工具的辅助。目前，大部分创作工具是为专业人士设计的，尽管功能全面，但是操作复杂，无法为儿童学习掌握。
事实上，儿童非常需要使用创作型设计工具来更好地表达他们的自我意识，尤其是7-14 岁的学龄儿童。据研究表明：“儿童（7-14 岁）逐渐具有像成年人一样的认知能力，他们已经可以归纳物体及分类[2-3]。”这个阶段的儿童能够建立比较强的空间感，理解虚拟的物体，已经可以使用界面友好并且功能强大的软件工具。他们可以完成简单的键盘操作，以及比较有效的鼠标控制[4-5]。这一阶段的儿童已产生对辅助创造设计工具的需求。不仅如此，出生在数字时代的儿童，是这个信息时代的原住民[6-7]，他们对计算机的熟悉和依赖超出我们的想象，学会使用计算机进行创作是时代对他们每一个人的要求。
儿童对创作型工具的需求与专业人士并不一致，他们并不需要系统地对所有功能进行大而全的涵盖，而是应针对他们感兴趣的垂直功能进行再设计。另外，不同年龄段的儿童群体在能力水平方面也存在较大差异，他们对创作型工具的可用性需求也各不相同。因此，我们需要建立合适的设计标准，使儿童创作工具能具有普遍可用性（universalusability）[8-9]。
二、儿童的创作工具调研
我们主要对三维建模、程序设计、实体交互三个方面的儿童创作工具进行了调研。
在三维建模创作工具方面，Takeo Igarashi 于2009 年发布了Teddy[10]，这是一款设计并实现了一个基于勾画2D 线条而产生3D 模型的软件系统。用户采用自由随意的风格便可进行3D 建模，主要交互方式是笔和手势。Teddy 并非一个精确的设计工具，它仅能生成粗略的3D 模型，但是它能够实时建模而且特别适合儿童使用。KIDCAD[11] 是一个使用数字黏土接口实现的、可以支持2.5D 模型的输入设备，儿童可以对已有对象进行编辑和造型。
在程序设计创作工具方面，早在1966 年，麻省理工学院的人工智能实验室诞生了第一款为儿童教授编程的语言LOGO[12]，使用了接近自然语言的编程命令集，使儿童可以通过这些命令集进行绘图。在2009 年，现代可视化编程的始祖SCRACH[13] 诞生了，与早期的LOGO 语言仍然需要键盘输入命令不同，随着计算机技术的进步，GUI 界面的应用得到了极大的普及，软件工程中模块化、面向对象编程等思想浪潮也逐渐成为编程语言的主流，SCRACH 可以支持用户拖动不同的模块，通过简单的参数编辑，即可完成一些简单的逻辑编程。在SCRACH 思想的启发下，各种可视编程界面如雨后春笋蓬勃发展起来，初步统计已愈百种。在TUI 逐渐兴起之时，基于SCRACH 理念的实物界面编程[14] 也随之火热起来。
在实体交互创作工具方面，1934 年，乐高积木问世，这是为儿童设计的穴柱连接积木[15]。它最初只是为了启发婴幼儿智力的简单玩具，随着技术发展，逐渐发展了多个系列，设计了LEGO digital designer 三维造型设计和机械设计的创作工具，以及NXT-G 这样基于SCRACH思想设计的可视化编程工具。
通过对现有创作型设计工具的调查分析，我们可以看出，为儿童设计创作类设计工具，是社会的一种刚性需求。随着时代的变迁和技术的不断发展演变，这一主题经久不衰。与专业的设计工具相比，为儿童设计创作型工具常使用三种方法：第一，将复杂的任务分解为相似的简单任务；第二，引入合作机制；第三，加入分享功能。这三种方法并非独立存在，而是互相依存的。例如，任务分解是合作的基础，而合作减轻了重复劳动的枯燥，分享激发了克服困难的勇气和战胜枯燥的耐心。这些方法使儿童创作工具的可用性有了很大的提高。
三、折纸创作的意义和难点
折纸艺术起源于公元1 世纪或2 世纪的中国[16]，后在日本兴起并达到繁盛，是一项历史非常悠久的艺术形式。在19 世纪，折纸作为艺术，与自然科学结合在了一起，发展成为现代几何学的一个分支。例如，折纸作图问题就是与尺规作图问题比肩的数学研究命题[17]。
折纸艺术在近代与数学科学和计算机科学相结合之后，发展出了一门新的学科——计算折纸学。[18] 其中研究最深入的两个方向就是：对平面折纸的折痕的研究问题[19-20]，以及对多面体的展开－折叠问题[21]。
这些年来经过数学家、折纸学家的不断努力，收获不少指导折纸创作的方法和工具。例如，Robert J. Lang 提出的圆河模型，可以指导艺术家制作复杂的对称多足昆虫。但是在这一领域，也留下了非常多的至今未能解决的问题，例如是不是每个凸多面体都可以被沿棱展开成平面图纸。
除此之外，计算折纸学目前主要应用于生物领域的蛋白质折叠和展开问题，以及建筑、航空领域中。例如，为了将一个大型望远镜的镜面由飞船带入太空，使用计算折纸学的方法，将足有篮球场大小的镜面，在不影响使用的前提下折叠成了半平方米大小，最终顺利带入了太空。
折纸不仅仅是一门造型和质感的艺术，它对于数学、建筑学，甚至生物学等其他自然学科也有着重要的意义[22]。它所需要的原材料成本低廉、环保，基于这样的原材料可以创作出兼具创意性和趣味性的新作品。
现在，折纸已不再是艺术创作者和手工艺人的专利，普通人和儿童也产生了创作折纸作品的需要。但是，大部分计算折纸学的研究并没有应用到普通人的折纸创作中，几乎所有市面上的折纸应用都未加入折纸算法的辅助，它们不支持用户进行自由创作。所以我们需要设计一个适合儿童进行折纸创作的工具，使他们在折纸算法的辅助下，轻松地进行折纸创作。这个工具应具有什么样的功能和交互方式，是本文的研究重点。
四、PaperJeemo 折纸创作工具的交互设计
1. 需求分析
1）面向儿童创作型工具的需求特点
针对儿童的设计，其中一个很重要的难点是：在儿童成长过程中的每个阶段，细分到每一年，他们的注意力、记忆力、分析能力、耐心、身体控制的精细程度、体力等方面都存在较大差异。即使是同一年龄的儿童，其个体差异也相当大。普遍地，他们对各类型创作工具的需求也因年龄增长而增加。在我们的设计中，如果兼顾能力较低的目标人群，那么将导致交互系统的使用难度降至最低共同标准，可能会限制高能力创作者使用工具时的创造力，使他们不能充分发挥其能力进行创作。
由此，我们希望设计具有普遍可用性的儿童创作型工具，让不同阶段的儿童都可以掌握这种创作工具的使用方法。其交互系统应具有“低门槛、可进阶（low floor, high ceiling）”[23] 的特点，使低龄儿童或初次使用者在较少阻碍中开始使用，而具有较高能力的儿童也可以更精细地调整他们的设计。本研究分析了不同年龄段的儿童使用创作工具的场景和需求，并确定了PaperJeemo 交互系统的设计标准。
2）折纸创作场景的需求分析
折纸创作主要分为四个环节，如图1 所示：第一环节是设计原始模型（图1.1），即设计实际物体的三维模型；第二环节是设计纸模，即使用计算机辅助算法生成对应原始模型的折纸模型（图1.2）；第三环节是制作纸模，即使用折纸模型图纸（图1.3），剪切、折叠、粘贴制作折纸模型；第四环节是进行纸模游戏（图1.4），即使用折纸成品进行故事讲述等创作。
实验表明，在整个折纸创作的过程中，不同年龄段的儿童使用的场景不同，他们对折纸的需求也不同。年龄越大的儿童可以参与的折纸环节越多。表1 是我们对儿童折纸创作的场景需求分析。
在幼儿阶段（3-4 岁），儿童不具备制作折纸的能力，更不可能创作设计折纸模型，但是，他们可以和父母一起使用做好的折纸模型玩游戏，认识世界。可以通过颜色丰富的折纸模型来帮助刺激儿童的视觉认知，强化他们的逻辑思维。这一阶段的PaperJeemo 的主要使用者是儿童的父母，他们需要为儿童制作多种多样的折纸模型来吸引儿童的注意力，所以，我们认为PaperJeemo 系统应该支持创作种类丰富有趣的模型。
在学龄前阶段（4-5 岁），儿童已经具有了一定的动手能力，甚至具有一定的使用软件设计的能力。此时，他们可以参与到父母的设计制作中，自己动手制作一些简单的折纸模型。我们认为，这一阶段，PaperJeemo 生成的折纸模型的图纸应该整齐易懂，而且方便儿童剪切粘贴制作。
在儿童进入幼儿园或者小学低年级后（5-9 岁），他们逐渐度过了以自我为中心的阶段，在与相同智力水平的儿童的接触中，逐渐有了互动、互助、合作的需求。在发现既有的合作规则或制定新的规则的需求刺激下，他们的情感和智力会得到大幅度的发展。这一阶段，PaperJeemo应该提供适合合作制作的图纸，也应支持他们在集体活动中进行角色扮演的游戏。此外，这时期的儿童对iPad 等电子工具的使用已经非常娴熟，也具有丰富的想象力和创造力，他们可以使用PaperJeemo 来设计创作自己喜欢的折纸模型。所以，PaperJeemo 的设计交互界面应该简单易懂，支持这一阶段的儿童尝试设计简单的折纸模型。
在少年阶段（9-14 岁），儿童的思维能力和操作能力已经基本接近成人，可以独立地完成复杂、精细的模型设计。同时，他们的需求场景也发生了很大的变化，可以设计一个折纸模型作为赠送同伴、长辈的礼物，或者创作独特的折纸艺术。这一时期，需要PaperJeemo 能够支持复杂、精细的模型设计；同时，在复杂设计中，例如小组工作、原型设计时，也有了协同设计的需要。
2. PaperJeemo 的设计目标
通过对上一节需求场景的分析，我们认为PaperJeemo 有如下六点设计目标：
1）原始模型种类多样化
系统应该有计算机算法辅助，可将任意三维模型自动处理为折纸模型。
2）纸模图纸样式易折叠
折纸制作的难度主要在于塑形的困难，尤其面对复杂的图纸、曲线折痕、多而细的夹角时，没有熟练的技术就会束手无策。所以纸模的样式及对应的图纸应该有规律，整齐易懂，避免难以剪裁和折叠的图纸。
3）界面交互简单易懂
折纸模型的设计界面是三维的编辑界面，传统的三维编辑软件，例如Autodesk Maya 等，功能全面，非常专业，但是操作困难，学习成本过高。我们需要设计一种新的编辑界面，针对没有三维设计经验的普通人，甚至儿童。
4）支持复杂精细的设计
为不同的用户提供多难度等级的建模渠道，支持高级用户进行复杂参数的设定和调整，支持高精度、高复杂度的设计。
5）支持协同、并发设计
对于更加复杂、需要多人参与的设计，系统应支持实时的协同设计。
6）具有分享、讨论的社区
在系统内建立相应的分享社区，可以让新手得到有效的参考，也可支持互相交流学习，还可以分享传播用户自己的作品。
3. PaperJeemo 的交互设计按照用户创作折纸模型的流程，其过程分为三部分：
1）原始模型建模
如图2 所示，是输入模型的界面。用户在建立一个原始模型时，PaperJeemo 在这里提供了多难度层级的建模渠道：
模型库：简单初级，在模型库里挑选自己喜欢的模型进行制作。
创建：难度较大，从零开始新建模型。
扫描：用户使用摄像头扫描身边的物体，向PaperJeemo 系统输入该物体的影像资料，PaperJeemo 系统计算出该物体的三维模型参数。
除此之外，新手还可以直接进入分享社区，浏览其他用户的作品和经验分享，下载他人的作品并在此基础上继续发展。
2）折纸模型的设计
如图3 所示，这是用户编辑原始模型和对应的折纸模型的交互界面，用户可以参考系统根据原始模型计算出的折纸模型。
折纸模型的创作是一个三维设计过程，然而，普通的三维编辑软件学习的门槛过高，基于坐标网格的编辑方式过于精细复杂，其实也并非折纸创作所必须的，因为一般来说折纸模型的精度是远低于原始模型的。
所以，在PaperJeemo 中，我们采用了基于骨骼系统的草图式编辑方法，非常适合于新手和低年级儿童操作编辑。整个界面的基础功能只有四个：新建骨骼、基于骨骼的蒙皮变形、关节移动和骨骼的旋转。经测试，这四个功能已经可以满足基本的编辑需求。如果需要更精细的设计，则可以在上方的工具箱中进行设置。
3）折纸模型图纸设计
完成折纸模型的形状编辑后，用户可以进入纹理编辑界面。（图4）在这个界面中，会将折纸模型的图纸展开在画布中，方便用户进行自由的涂色和纹理编辑。用户可以直接在折纸模型上修改或者在图纸上绘制。
4. PaperJeemo 交互设计的特点
1）易折叠的折纸图纸样式
PaperJeemo 使用了基于组件式的折纸模型，根据原始模型，由计算机图形学算法自动计算生成。
折纸社区的问卷调查统计显示，目前纸模爱好者创作折纸模型包括三个步骤：第一步，使用Autodesk Maya 或3Dmax 创建原始模型；第二步，使用Mudbox 或Photoshop 为模型贴材质；第三步，使用Pepakura 获取三维模型的二维图纸。上述工具多适用于专业设计师，从三维建模到打印二维折纸图纸的过程中，需辗转多个专业设计软件，并且目前没有计算机算法辅助设计得到最终适合折叠的图纸。
我们做了实验，分别使用Autodesk Maya 进行模型简化和用我们的PaperJeemo 折纸模型生成算法的辅助处理，对比两者生成图纸如图5 所示：以制作龙型纸模为例，这两种图纸中均有约240 个三角面片，上方是PaperJeemo 生成的基于组件的折纸模型图纸，而下方是直接使用Maya 软件得到的图纸。
显然，由PaperJeemo 生成的基于组件式的折纸模型的图纸更容易折叠。所以，结合计算机图形学的处理技术，我们最终选择了这种基于组件的折纸模型，将原始模型分解为有语义的基本几何体。这样的图纸每一个组件都是类似的，且没有曲线折叠和剪切，大幅度地降低折叠难度，儿童使用这样的图纸也可以独立完成折叠。
2）基于骨骼的草图式交互建模
在三维编辑的交互界面，我们参考了Autodesk Sculpt+ 的建模界面，设计了新建骨骼、蒙皮变形、移动关节、旋转骨骼四个操作步骤，配合撤销删除就可以完成简单的三维建模和三维编辑，不需要用户了解三维设计中的复杂术语和操作就可以建模或者修改模型。
如图6 所示，图6.1 是在一个已有关节上添加一段新的骨骼；图6.2是对其中一段骨骼上的蒙皮进行变形，可以增大也可以缩小；图6.3 是移动其中一个关节的位置；图6.4 是以一个关节为轴，旋转其中一段骨骼。
经过有专业三维设计师参与的用户测试，可以验证该交互界面能建立几乎所有三维物体的草图。如果技术熟练，可以用上千段骨骼建立复杂的三维模型。
3）加入了生成折纸模型的算法
PaperJeemo 系统对每一个输入的原始模型都通过网格坍缩算法提取出该三维模型的骨骼。这个骨骼记录了原始模型重要的语义信息，除了可以通过添加、删除、移动、旋转骨骼来修改原始模型，PaperJeemo 系统还用这个骨骼将模型分解成有语义的组件，这些组件就像一块块的积木，是折纸模型的基本组成单位。
如图7 所示，对于一个输入的三维模型（图7.1），PaperJeemo 通过网格坍缩算法，提取出原始模型的骨骼。（图7.2）然后，在合适的关节处生成分割面（图7.3），将原始模型分解成有语义信息的组件，再使用可以很容易折叠的简单基本几何体（例如矩形截锥）去拟合每一个组件。（图7.4）我们进一步矫正相邻截锥的接触面，以确保它们能够良好稳定地粘贴，就可以得到一个虚拟的折纸模型（图7.5），最终，将这个折纸模型的表面展开到同一平面中，就得到了折纸模型的图纸。（图7.6）
所以，基于骨骼的建模方式与我们的自动生成折纸模型的算法是相辅相成的，不仅极大地降低了三维建模的交互难度，而且辅助于生成折纸模型的算法。
4）支持协同设计
我们将每一个组件定义为一个最小的可编辑单元。
为了保证协同设计的效率，我们必须保证设计版本的一致性（consistency）。每个组件都可以被不同的用户反复修改编辑，但同一时间只能被一个用户编辑。这样我们就能够保证在同一时间多个用户所编辑的模型版本是一致的。
为了保证协同设计的体验，我们必须保证冲突处理的公平性（fairness），将每个组件的不同设计版本都储存在服务器端，不会让后面产生的版本覆盖掉前面的版本，以此来保证每一个设计师的设计都被记录在系统中，可以随时取出来比较或者使用。
以图8 的故事版为例，讲述协同设计的规则细节。当A、B、C 三个人在同一空间，每人手持一个平板电脑，他们的任务是共同设计制作一个折纸模型。
选模型：首先，A、B、C 一起讨论最终想要制作的折纸模型（图8.1），A 和B 都想做泰迪熊模型，而C 想做轮船模型。经过一番讨论后，三个人决定制作一只熊。A 在PaperJeemo 的模型库中搜索泰迪熊（图8.2），选择了一个模型作为折纸模型的原始模型，进入编辑状态，并邀请B、C 一起进行协作编辑。B、C 在自己的iPad 上接受了A 的邀请（图8.3），也进入了该模型的编辑状态。
共同编辑：接下来，A 选择了模型的右耳组件进行编辑（图8.4），B 看到右耳组件显示出被锁定编辑的状态，就先选择了右臂组件进行编辑（图8.5），右臂于是也进入了锁定状态。而A 和C 只能看见右臂组件是正在被别人编辑，而不能编辑。当A 将右耳组件编辑完成后，选择提交编辑，此时右耳组件就会被解锁，B 和C 就能在自己的界面中看到A 刚刚编辑完成的版本，可以继续选择该组件进行修改。（图8.6）
冲突处理：经过反复编辑后，右耳组件有了多个版本，而B 和C 喜欢的版本不一样。（图8.7）于是三人一起将屏幕镜头拉到泰迪熊的耳朵部位，读取耳朵组件的历史版本，通过左右滑动，对比、讨论右耳的几个版本。（图8.8）通过对比，三人均认为C 的版本是最好的，于是选择了该版本作为最终版。（图8.9）
于是A 就将PaperJeemo 生成的图纸发送至打印机打印（图8.10），三人就可以开始合作制作纸模了。
五、PaperJeemo 评测调研
1. 针对儿童用户的调研
我们邀请6-8 岁的儿童参与制作纸模的实验，发现PaperJeemo所产生的折纸图纸确实可以被儿童独立折叠粘贴制作。图9 为实验模型及制作结果，分别是7 个组件的兔子、21 个组件的马、8 个组件的卡车、14 个组件的飞机和8 个组件的轮船。
除此之外，我们验证了多个儿童合作制作折纸模型更简单也更有趣。例如在实验中，折叠一个有15 个组件的熊模型，一个成年人需要30 分钟到40 分钟，而一个8 岁的男孩需要一小时，这个折叠时间是比较长的，过程也相对枯燥。但是，我们在另外一个实验中，安排了两个7 岁的女孩合作制作一个兔子，结果发现她们的合作过程非常有趣，两个女孩用了更短的时间制作出模型，并且自发给兔子画上了五官，还进行了故事叙述游戏。（图10）
从用户实验结果来看，由PaperJeemo 产生的基于组件的折纸模型确实容易被折叠，而且，这种纸模支持多个用户合作制作。所以，将合作设计引入PaperJeemo，可以让设计和制作过程变成一个小组交互的过程，它将可以应用于故事编剧、家庭互动、教育教学、快速原型设计等活动中。
2. 针对成人用户的调研
我们采用深度访谈的方式，对15-25 岁的青年，包括专业和非专业人员使用基于骨骼的草图式三维建模工具、使用PaperJeemo 的协同设计规则进行了分析、测评，试图通过深度访谈发现PaperJeemo 的设计问题、设计效率和改进空间。
邀请20 位不同性别、年龄、专业的人员进行每人20-35 分钟的深度访谈。一个研究员与被访谈者根据制定好的访谈问题进行面对面的交流，另一位研究员观察并记录被访谈者的使用情况和反馈意见，同时使用录音设备进行全程记录。被测试者们先体验基于骨骼的草图式三维建模界面，了解协同设计的规则，最后回答研究员提出的问题并给出系统评分。
问题如下：1）使用二维和三维创作类设计工具的熟练程度；2）基于组件建立三维模型的方式是否易于理解，软件是否易于操作；3）一项合作设计任务中引入并发设计的必要性；4）如何看待PaperJeemo的协同设计规则；5）对PaperJeemo 的整体评价。
问题2 测评基于骨骼的草图式三维建模界面，问题3 和问题4 评测协同设计框架。被测同时被要求对每项问题进行0-5 分的评价。结果显示，40% 的被测没有三维创作工具的使用经验，30% 具有较少的设计技能，另外30% 的被测是三维建模软件专业使用者。基于组件建模得到了80% 的认可度，协同设计的必要性得到91%，而PaperJeemo 的用户体验友好程度达到了92％。分析结果表明，具有更多三维建模技巧的被测对PaperJeemo 给出了更高的分数，他们认为基于骨骼的草图式建模方法相较于其他专业软件更高效、更有趣。
在用户测试中，无论专业或非专业被测都能在没有指导的前提下操作基于骨骼的草图式建模界面。关于协作设计的问题，大家一致认为有必要实现并发设计。在被测中，一个专业建筑设计人员表示，如果AutoCAD 可以支持协同设计，将减少许多他在设计中出现的分歧与返工问题。另一些受访者提出了一些协同设计协议的细节问题，但经过解释后也表示了理解和接受。总的来说，几乎所有受访者都认同协同设计在设计中的必要性，以及PaperJeemo 设计的合理性。
结论和未来工作
创造力具有强大的推动力，因为它会带来巨大的满足感和回报。在本文中，我们调研了面向儿童的辅助创作型工具的交互系统设计方法，重点分析讲述了折纸创作工具PaperJeemo 的设计研究，探索了面向儿童设计的普遍可用性。
PaperJeemo 能快速生成易折叠的折纸模型，支持没有三维设计经验的人快速建模，支持多人协作设计，PaperJeemo 的社区可以帮助用户了解前人的折纸设计，在折纸社区里分享自己的作品和经验。折纸创作工具PaperJeemo 针对不同阶段儿童甚至成人的需求，设计了不同难度和精度的设计方法，通过对用户进行实验和访谈，我们初步验证了PaperJeemo 的可用性和易用性。
然而，儿童创作工具设计方向还有很多需要进一步实践验证的地方。随着折纸生成算法稳定性的提高，我们将进一步探索PaperJeemo 在儿童群体互动游戏等场景中的使用情况；针对儿童与同伴的互动情况，团体游戏的练习和规则的接受程度等，激发儿童的创造力，探索可以更好地帮助他们智力和情感发展的途径。
* 本文得到国家自然科学基金项目（No.61232013）以及清华大学开云艺术教育基金的支持。感谢马立军同学在三维模型制作上提供的帮助。
注释：
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