關(guān)于虛擬現(xiàn)實技術(shù)人機(jī)交互的研究

郭瑩潔

（山西金融職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系 山西 太原 030008）

1 研究背景

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的英文全稱為：Virtual Reality。其研究方向Wie計算機(jī)圖形學(xué)在人機(jī)接口中多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的結(jié)合。也可以將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)視為多種技術(shù)的交叉集合，是目前在人類感知系統(tǒng)中能夠提供最佳體驗效果的前沿技術(shù)。VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實際運(yùn)行過程中可以模擬三維空間的諸多元素，諸如自然技能、感知系統(tǒng)、環(huán)境信息、傳感效果等。而模擬環(huán)境由計算機(jī)設(shè)備生成實時動態(tài)的三維數(shù)據(jù)信息，通過輸出設(shè)備與感應(yīng)設(shè)備連接，將極為逼真的視覺效果傳達(dá)至用戶，進(jìn)而產(chǎn)生了極強(qiáng)的視覺感知效果。除視覺感知效果之外，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠通過力覺、觸覺、聽覺、運(yùn)動等感知維度構(gòu)建近似于真實環(huán)境的體育效果，甚至能夠在味覺或嗅覺的體驗中加強(qiáng)這樣的體驗強(qiáng)度。此外，在自然技能方面的技術(shù)革新，將用戶的頭部轉(zhuǎn)動、視角轉(zhuǎn)化、手勢變遷、乃至人體細(xì)微動作引入了統(tǒng)一的三維立體虛擬空間之內(nèi)，因此能夠從多種角度處理用戶感知數(shù)據(jù)，建立從輸入信息到輸出信息的實時響應(yīng)反饋機(jī)制。進(jìn)而達(dá)到從五官感知創(chuàng)建體驗效果的深層沉浸效果，達(dá)到由傳感設(shè)備建立的三維交互體驗輸出。

1.2 人機(jī)交互機(jī)制內(nèi)涵

HCI人機(jī)交互的英文全稱為：Human-Computer Interaction。從狹義角度分析，人機(jī)交互機(jī)制是計算機(jī)與人的任務(wù)達(dá)成機(jī)制。操作者在終端設(shè)備輸入任務(wù)類型，并設(shè)定執(zhí)行程序，便可以在輸出設(shè)備中呈現(xiàn)出預(yù)期的計算結(jié)果。此時計算機(jī)設(shè)備與用戶的信息交換被稱之為人機(jī)交互。從廣義角度分析，人機(jī)交互是計算機(jī)技術(shù)發(fā)展過程中逐步傾向于人類感知系統(tǒng)的功能性與易用性升級。在現(xiàn)代科技逐步演化的過程中，人機(jī)交互更加傾向于由計算機(jī)主動解決、生成、演化、計算出人類需求的預(yù)期數(shù)據(jù)信息。因此，在HCI人機(jī)交互的研究領(lǐng)域中，主要研究當(dāng)使用者存在感知差異時，如何提升其使用效果。諸如當(dāng)文化背景、操作習(xí)慣、應(yīng)用規(guī)律完全不同的時候，如何提高終端界面輸出信息的理解效果。在以往時期通過單純的視頻輸出端口很難達(dá)到真正的人機(jī)交互體驗真實度，而在VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展之后，來自不同感官體驗的信息結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)的人類感知的人機(jī)交互程度。因此，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在很大程度上完善了計算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互時效性，并將實時分析數(shù)據(jù)和三維立體感知帶入人機(jī)交互環(huán)境，創(chuàng)設(shè)了超越以往感知效果的信息交互條件與環(huán)境要素。

2 VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)特征

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠引導(dǎo)使用者在三維立體的虛擬空間中感受模擬環(huán)境的真實度。此時，使用者產(chǎn)生了極為其強(qiáng)烈的沉浸感，而這樣的沉浸感便是人機(jī)互動機(jī)制的最終訴求。從人機(jī)交互的視角分析，VR虛擬技術(shù)具備了四項最為基本的特征，也正是這四項特征強(qiáng)化了使用者的沉浸感，分別為：多感知性、存在感、交互性、以及自主性的四重特征。

2.1 多感知性

人機(jī)交互本身是信息傳遞的雙向過程，此時人類能夠感知到的數(shù)據(jù)信息是計算機(jī)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化。以往時期從0，1進(jìn)制到終端界面的視頻動態(tài)信息輸出幾乎契合了人類感知系統(tǒng)的全面需求。但是在三維技術(shù)和傳感器技術(shù)相互融合之后，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠達(dá)到的體驗感知拓展了更多的感官需求。其中包括了觸覺、聽覺、味覺、嗅覺、以及運(yùn)動感知。在虛擬仿真的三維立體空間之內(nèi)，操作者借助VR設(shè)備能夠體驗到虛擬空間的一切行為驅(qū)動體驗，從而體現(xiàn)出了VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)的多重感知性。

2.2 存在感

以往時期終端視頻輸出界面所提供的感知效果僅能通過視覺體驗加強(qiáng)輸出信息的真實度，但是無法還原現(xiàn)場信息或虛擬信息的多維感知體驗。因此，其人機(jī)交互過程中的存在感并不強(qiáng)烈，無法真正激發(fā)使用者對于虛擬空間的想象。但是VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過三維場景的創(chuàng)建，將用戶視角帶入了虛擬空間之內(nèi)，并借助傳感器系統(tǒng)加強(qiáng)了多種感知維度，從而達(dá)到了促進(jìn)人類感知系統(tǒng)存在意識的交互機(jī)制。在此過程中，近似于真實環(huán)境的模擬信號和感知環(huán)境讓用戶很難區(qū)分或甄別虛擬世界的真實性。因此，用戶在人機(jī)交互機(jī)制中的自我存在感也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，真正融入了虛擬環(huán)境的深度體驗。

2.3 交互性

傳統(tǒng)意義的交互性特指人機(jī)交互的信息交換頻次，當(dāng)交互速度和交換頻次較高時，證明交互性較強(qiáng)。而VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)將交互性的特征發(fā)揮到了極致，用戶對仿真模擬的三維環(huán)境更加青睞，尤其虛擬環(huán)境內(nèi)的物體具備了數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化機(jī)制，可以進(jìn)行多次可操作，那么虛擬物體的移動、轉(zhuǎn)換、運(yùn)動等諸多反饋信息必然增強(qiáng)了最終的體驗程度，從而達(dá)到接近于真實情景的自然效果。因此，在VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)中所提供的反饋信息更加契合了人機(jī)交互模式的數(shù)據(jù)信息獲取能力，能夠完善和優(yōu)化其技術(shù)本身的交互性特征。

2.4 自主性

以往時期計算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)交互模式是建立在輸出輸入設(shè)備的信息轉(zhuǎn)化機(jī)制中，而在VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)中，虛擬環(huán)境為操作者創(chuàng)造了更為簡易的驅(qū)動規(guī)律。這種驅(qū)動規(guī)律更加具備自主性，即虛擬環(huán)境中的物體可以依據(jù)現(xiàn)實世界中的物理運(yùn)動定律而產(chǎn)生相應(yīng)動作范式。那么在設(shè)計虛擬空間時，最終模擬現(xiàn)實環(huán)境的基本信息可以完成更為深層次的信息互換，從而達(dá)到人機(jī)交互的最佳運(yùn)行效果。

3 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人機(jī)交互運(yùn)行機(jī)制技術(shù)實踐路徑

VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠達(dá)到較強(qiáng)的人機(jī)交互效果，需要通過多種技術(shù)手段來實現(xiàn)。本研究將人類感知的信息維度作為分析其技術(shù)類型的主要路徑，從而進(jìn)一步分析多種技術(shù)特征的實踐方式。從近些年來VR技術(shù)到AR技術(shù)的升級與應(yīng)用效果來看，能夠達(dá)到增強(qiáng)人機(jī)交互效果的主要技術(shù)類型包括：三維計算機(jī)圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，用戶（頭/眼/手)跟蹤技術(shù)，觸覺/力覺反饋技術(shù)、立體聲聽覺效果信息交互技術(shù)、以及語音輸入輸出技術(shù)等。現(xiàn)做如下分析：

3.1 三維計算機(jī)圖形技術(shù)

三維計算機(jī)圖形技術(shù)是增強(qiáng)人機(jī)交互信息傳遞速率的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比較而言，由計算機(jī)系統(tǒng)生成復(fù)雜圖像信息或三維立體信息并不難。但是如果無法達(dá)到足夠的精準(zhǔn)度，用戶在虛擬空間中的行為定位卻會發(fā)生較大偏差。此時精準(zhǔn)圖像對于虛擬物體的三維視角設(shè)計是增強(qiáng)體驗效果與沉浸感的重要方式。簡而言之，三維計算機(jī)圖形技術(shù)需要完成在不同光照角度下物體所發(fā)生的視覺轉(zhuǎn)化。例如在飛行模擬器的人機(jī)交互中，圖像信息必須隨空間移動頻次實時刷新，并在圖像質(zhì)量較高的輸出信號中得到模擬復(fù)雜環(huán)境的輸出質(zhì)量。此時三維模擬技術(shù)則需要全面考量用戶體驗度才能夠達(dá)到預(yù)期的人機(jī)交互模式，以便增強(qiáng)用戶感知。

3.2 廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)

用戶能夠接受計算機(jī)系統(tǒng)所提供的視覺信息相對有限，在IMAX技術(shù)出現(xiàn)之前，圖像信息在終端界面所呈現(xiàn)出的視角僅為雙眼焦距的適應(yīng)范圍，其虛擬物體的距離與大小較為適中。此時，人機(jī)交互信息始終處于距離信息對于實體景物的模擬信號單元，且在此過程中并無法直接加強(qiáng)視覺感知。但是VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)將推進(jìn)了雙目立體視覺效果的感知性，為人機(jī)交互模式創(chuàng)造了有利環(huán)境。用戶雙眼可以在VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)所創(chuàng)建的虛擬空間內(nèi)觀察，而傳統(tǒng)顯示設(shè)備卻無法達(dá)到這樣的交互效果。此時，用戶借助VR顯示設(shè)備可以在一只眼睛中感受到奇數(shù)幀圖像，而另一側(cè)研究可以觀察到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀的迭代演化與信息疊加產(chǎn)生了基于視差效應(yīng)的立體感知。同時在頭/眼跟蹤器中，對于虛擬空間的感知可以隨視角變動發(fā)生同位轉(zhuǎn)化，因此物體坐標(biāo)系也會同時發(fā)生姿態(tài)或位置的遷移。那么用戶所觀察到的景象也如同現(xiàn)實世界中的位置變化，更加契合了虛擬體驗效果的人機(jī)交互模式，增強(qiáng)了動態(tài)觀察的視覺廣度與環(huán)境認(rèn)知。尤其不同于鼠標(biāo)鍵盤等輸入設(shè)備，三維空間本身存在六個自由度，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以通過數(shù)據(jù)手套完成人機(jī)數(shù)據(jù)信息交互，通過SpaceBall空間球或3Space數(shù)字化儀完成信息輸入，進(jìn)而映射出任意運(yùn)動規(guī)律，支持人機(jī)交互數(shù)據(jù)信息的三維空間時效性。

3.3 立體聲聽覺效果與感知反饋信息

立體聲效是增強(qiáng)人機(jī)交互效果的必要基礎(chǔ)條件，但是以往時期立體聲效并不能通過單一的音頻輸出設(shè)備達(dá)到三維立體的聲效感官需求。而VR技術(shù)則可以在左右耳之間進(jìn)行不同立體聲效的實時輸出，因此其聲音效果本身也具備了方向感的特質(zhì)。在現(xiàn)實世界中，來自不同方向的聲音效果其強(qiáng)弱與角度都會令人隨聽覺傳遞角度自主偏離。人機(jī)交互技術(shù)的極致也是在虛擬環(huán)境小模擬這樣的立體聲聽覺效果。但目前VR系統(tǒng)中能夠達(dá)到的聽覺感知并不存在方位判斷的位移效應(yīng)，這一點(diǎn)也是VR技術(shù)需要不斷完善和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，在VR虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，用戶能夠觀察到的虛擬物體不僅可以通過聲效或視覺效果來深刻感受，在觸覺方面的感知功能也是數(shù)據(jù)手套提供的重要輸出信息設(shè)備。用戶可以通過數(shù)據(jù)手套創(chuàng)建的模擬觸覺來感知虛擬事物的光滑度、震動感等等，這樣的觸覺效果也是進(jìn)一步加強(qiáng)人機(jī)交互感知的重要方式。

4 結(jié)語

綜上所述，VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠拓展來自三維立體虛擬空間的感官體驗效果，其基于視覺、聽覺、觸覺等多種感官維度的沉浸感能夠激發(fā)用戶的多感知性、存在感、交互性、以及主動性。為了進(jìn)一步加強(qiáng)VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于人機(jī)交互模式的開發(fā)，可以通過三種路徑逐步完善。其一，可以借助三維計算機(jī)圖形技術(shù)加強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)信息的真實體驗效果。其二，可以通過廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)完善視覺成像時效性。其三，采用立體聲聽覺效果與感知反饋信息技術(shù)補(bǔ)充多重感知效果。進(jìn)而達(dá)到由VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進(jìn)人機(jī)交互效果的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

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