虛擬環境人機交互技術的分析

馬惠寶

摘 要：隨著計算機信息技術的飛速發展，虛擬環境以及它的表現形式得到了極大的豐富。在越來越細膩、逼真的虛擬環境中，人們的精神世界也得到了富足。本文以虛擬環境本身特點以及其在計算機方面的特征為出發點，對虛擬環境內人機交互的技術問題進行重要分析，并給出針對性意見。

關鍵詞：虛擬環境；人機交互；技術分析

在現代科技飛速發展的情況下，豐富的物質生活往往已經滿足不了人們的需求，一部分人則開始追求精神世界的享受。而隨著人們生活節奏的日益加快，方便、快捷、新奇也是人們選擇娛樂方式重要標準之一，虛擬現實系統則完美的符合了大眾的需求。在這種社會需求下，虛擬環境人機交互技術的深入研究就顯得越發重要。

1 虛擬現實系統

1）虛擬現實系統定義。虛擬現實（Virtual Reality，VR）示意計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成對一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨對應真實環境的感受和體驗[ 1 ]。

2）虛擬現實的發展史。虛擬現實系統是J.Lanier在1989年于美國VPL Research Inc公司提出的；之后，在1992年的SIGGRAPH大會上，Cruz-Neira用虛擬現實技術設計了波音777，使用戶戴上頭盔時就能穿梭在這個模擬出來的飛機之中，觀察這個飛機的各項設計，這在當時引起了科技界的矚目[ 2 ]。1996年，古斯皮·里瓦對虛擬環境定義為“一個由計算機生成的、可與主體產生互動的模擬空間”[ 3 ]。而VR技術不斷發展到今天，一家家體驗館已經入雨后春筍般涌現出來，使得這項高科技系統越來越平民化、普及化。

2 虛擬環境人機交互的方式及其設備

在虛擬環境中，人們除了有身臨其境的感知力外，最重要的，就是能與虛擬環境中的物體進行交互。在幾年前，VR系統還沒流行起來時，曾經有大批的體感游戲大量涌入市場，當時就是用戶手持著體感游戲的操縱桿與游戲中的人物進行比賽，格斗等一系列的交互動作。而對比體感游戲，VR系統更注重人與虛擬環境之間的感知傳遞。

2.1 虛擬環境的顯示機及其設備

根據研究結果表明，大多數人類獲取信息的方式有80%左右來自視覺信號的感知，因此視覺也是VR系統帶領用戶走進虛擬環境中最為重要的一項。

1）頭盔式虛擬環境顯示設備。頭盔式的顯示方式是VR系統中最為常見，也是人們最為了解的顯示方式。頭盔顯示系統，即HMD，分為兩類，一類是非透視型頭盔，它是將兩個顯示器安裝于頭盔中接近眼部的地方，頭的方向及位置能被頭盔內部的感應器能隨時感應，從而在顯示器上投射當前視角下的場景。這種頭盔給用戶的沉浸感極強，但往往容易造成使用者頭暈，眼睛疲勞等問題，這是由于用戶長時間只能看到計算機生成的三維場景所導致的。另一類就是透視型頭盔，這類頭盔的主要作用是增強現實，也就是AR系統。這類頭盔的特點是使用者能看到真正的現實情況的同時，計算機也會在顯示器上實時疊加多種信息，使虛擬幾何對象與真實環境增強性的融為一體。2）投影式虛擬環境顯示設備。投影式顯示系統一般是利用墻面進行投影，使多個用戶能夠同時感受逼真的虛擬場景的顯示系統。投影式顯示器一般會用到三個以上且彼此相連的面，而投影式顯示器在這些面外利用計算機，融合器和多個投影儀來對這些面進行同時投影。其中，對于面與面之間的無縫拼合，融合器起到了極大的作用。3）其他顯示設備。在虛擬環境顯示設備中，還有其他幾類顯示設備的應用，比如被應用在工作中的桌面時顯示設備，這種是利用桌面，投影儀及計算機所組成的；還有手持式顯示設備以及自由立體顯示設備等……

2.2 力/觸覺交互方式及其設備

在現有的VR應用中，很多都需要用戶與虛擬場景內的物品進行力/觸覺的交互，所以就需要對應的設備：

1）力反饋操縱桿。如同前文所說，在幾年前的體感游戲中，力反饋操縱桿已經得到了良好的應用，它是根據用戶的行為不同，在操縱桿頂端產生反作用力的效果，使用戶在虛擬環境中真夠真實感受到用力的反饋。例如，用戶在虛擬環境中用棒球桿將球擊出，那么操縱桿就會模仿棒球的反震力，讓用戶感覺真的擊打到了球。2）觸覺數據手套。由于人類現實中的大部分交互作用都是用手來完成的，所以觸覺手套能夠很好地讓人進行虛擬環境中觸覺交互。觸覺數據手套大多使用較為輕薄的材質進行制作，一方面方便在上面安裝光纖導體作為傳感器，另一方面也能減少手在交互過程中的阻礙感。以充氣式觸覺手套為例，他會在用戶手部在虛擬環境中進行交互時，利用計算機的引導，對具體交互部位進行充氣和放氣，是用戶的手能夠感受到具體的壓迫感；而振動式觸覺手套則通過手套內部的振動裝置刺激皮膚神經，以達到產生觸覺反饋的目的。

2.3 其他類型的交互設備

1）跟蹤定位的方式及其設備。跟蹤定位是幫助顯示器，力/觸覺交互設備更好的完成虛擬環境交互的方式。其主要分為兩種，一是有源跟蹤定位，顧名思義，用戶身上會被放置信號發射源，通過信號的鏈接反饋來確定用戶的位置；另一種是無源跟蹤定位，主要原理是絕對位置測量的機電式的跟蹤方式，特點是精度高、穩定性好、延時小以及干擾較少。

2）行走交互的方式及其設備。理想的VR可以在用戶現實中行走時虛擬空間中也跟著移動，那么就需要行走交互，而行走交互的方式主要分為三點：一是踏板式行走交互，主要原理就是用戶在自行車模擬器踏板上輪換踩踏，利用力傳感器進行在虛擬環境中的行走；二是地面行走式交互，這種方法不需要踩踏，可以直接利用傳感器來確定用戶在虛擬環境中所處的位置，但是現在這種方法的精度不高，而且延時較大；第三種方式就是傳動平臺式行走交互，用戶在使用滾輪的傳動平臺上行走，通過踩踏滾輪的壓力來確定用戶在虛擬環境中位置，這種方法的精確度較好，交互方式自然，但噪音較大，穩定性也有待改進。

3 結論

綜上所述，雖然虛擬現實系統很早就已經提出，但在現在仍然算是新興產業，有很大的研發空間及商業價值。而作為其中最主要的交互系統，現階段的開發也有待改進和完善。本文對虛擬空間人機交互技術做了一些探討，希望能在這方面提供借鑒意義。

參考文獻：

[1] 趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學（F輯：信息科學），2009，（01）：2-46.

[2] 程成.虛擬環境人機交互技術研究[D].中國科學院研究生院（軟件研究所），2002.

[3] 陶侃.虛擬環境中基于問題情境的認知活動與學習交互[J].開放教育研究，2012，（04）：36-43.