多通道虛擬現實人機交互系統中的產品設計研究

張瑜

摘 要：本研究以虛擬現實和多通道人機交互作為產品設計切入點，采用歸納法以及類比法研究兩者之間的聯系，并進行有機整合，提出了基于多通道虛擬現實人機交互系統的產品設計流程，并從設計方法學的角度導入具體產品設計實踐中。通過設計實踐對該設計行程可行性進行了驗證，證明在流程中可以有效節約時間、空間以及設計資源，同時提高產品中人機交互的自然性、高效性、兼容性。

關鍵詞：多通道交互；虛擬現實；產品設計；通道

中圖分類號：TB472 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0087-02

Abstract： In this study， virtual reality and multi-channel human-computer interaction are taken as the cut-in point of product design. Induction and analogy are used to study the relationship between the two， and organic integration is carried out. The product design process based on multi-channel virtual reality human-computer interaction system is put forward， and the concrete product design practice is introduced from the point of view of design methodology. The feasibility of the design itinerary is verified by the design practice. It is proved that the design process can save time， space and design resources effectively， and at the same time improve the natural， high efficiency and compatibility of human-computer interaction in the product.

Keywords： multi-channel interaction； virtual reality； product design； channel

多通道交互是指用戶同時通過多個不同通道或者同一通道的不同形式，感知產品信息并與之進行互動[1]，追求以自然、高效、并行、協作的方式來進行人機對話[2]。

虛擬現實本身就是一種多通道交互系統，即多通道虛擬現實人機交互系統[3]，將虛擬人在虛擬環境中的交互感知轉化為真人與虛擬環境的交互體驗。多通道交互致力于實現人與產品交互的真實、自然性[4]，而虛擬現實的仿真特性、沉浸感和多維交互性可以很好地滿足這個需求。多通道虛擬現實人機交互系統將兩者特點結合，建立多個單體之間的通信聯系，將虛擬環境在真實世界中進行模擬，是一種新的交互體驗[5]。

1 多通道交互產品

在多通道虛擬現實人機交互系統中，為了交互方式更自然，用戶體驗和沉浸感更好，設計師會將多種單一通道的交互設備進行重構、設計、集成，整合設計于某一種或一系列實體產品中，如萬向跑步機，智能可穿戴背心等。本文在對多通道人機交互和虛擬現實研究的基礎上，提出了多通道虛擬現實人機交互系統中的產品設計流程。在理論意義層面，本研究進一步豐富了產品設計方法學的理論體系；在實際意義層面，本研究可以提高設計師產品設計效率和質量，提升產品的用戶交互效率和體驗。

2 多通道虛擬現實人機交互產品設計流程

2.1 對虛擬環境語義對象進行深入研究

不同的虛擬環境讓用戶有不同的體驗，即存在不同的行為方式，需要不同多通道產品實現，所以首先要對虛擬環境進行研究。深入研究即包括對每個語義對象的調研、分析、總結等，分析歸納出在此虛擬環境中最典型的語義對象。過程中主要解決兩個問題，一是這個虛擬環境想通過用戶的感知通道讓用戶感知到哪些語義信息；二是用戶感知到信息后需要通過效應通道對虛擬環境做出哪些響應和反饋。

2.2 確定產品的交互方式和功能

確定產品的交互方式和功能就是把虛擬人的交互需求轉化為真人的交互需求的過程，分析虛擬人在虛擬環境中的交互需求和真人是否要一致的問題，考慮虛擬人的每個交互需求在真實環境中模擬的可行性和優先級。一般有兩種情況，一種是在原行為方式上進行模擬，如VR畫畫，橡皮擦擦除方式可直接用手勢代替；另一種是模擬行為方式較難情況，如VR-CS游戲中，模擬虛擬人從背包切換不同器械的行為，就可以用簡易按鈕方式代替切換。

2.3 設計產品通道的相關邏輯流程

產品的各通道交互方式確定后，需要整合這些通道間的相關使用邏輯流程，規劃單一通道的不同形式之間及各通道之間的內在聯系。過程中，會遇見一對多（一個通道的多個使用形式）、一對一、或者一對零的情況，特別是后兩者，要在此基礎上做出進一步優化。這個流程是建立在符合實用性、經濟性、獨立性、互補性、動作節約性、區分性的基礎上[6]。

2.4 對產品進行具體工業設計

通常情況下，多通道交互產品由四種設備構件構成：一是真實環境數據采集設備；二是傳遞環境狀態變化，作用于感知通道的設備構件；三是接收虛擬環境數據控制二類構件的控制器；四是對上述構件進行裝配的固件以及其外形構件。對產品進行具體的工業設計，主要包括根據需求選用構件，對各構件進行結構上的整合規劃，要求整個產品設計合理適用，將復雜轉化為簡單，有明確的產品語義。

2.5 可行性評估

可行性評估是產品設計流程中不能忽略的環節，是對產品的一種綜合性評價，在完成了產品相關整合設計工作之后，要在虛擬環境和真實環境中進行測試，做一個客觀全面的可行性評估，主要有五個評價標準：人性化（人因工程、心理指向）、功能、結構、形態以及經濟性。

3 基于多通道虛擬現實人機交互系統的產品設計流程案例分析

本研究筆者以室內健身車為例對上述產品設計流程做一個具體的實踐說明。

3.1 對虛擬騎行環境中語義對象進行深入研究

在產品設計之前，課題組成員已經開發出一套VR自行車騎行游戲系統，所以筆者直接對此游戲的虛擬環境語義對象進行了研究分析。在這個自行車騎行虛擬環境中，用戶主要任務是在規定時間內跟隨地圖指示按道路路徑騎行，躲避障礙物并消除“怪獸”。這個過程中，虛擬人通過感知通道感知信息（視、聽、嗅、觸），在感知到這些信息后通過效應通道（手、腳、身體）等作出反饋，形成一個交互信息閉環空間。

3.2 確定騎行產品的交互方式和功能

自行車騎行作為一種最普及的交通和健身方式，觸覺是最重要的感知通道，俯仰、側傾、阻力、顛簸等是其中的關鍵體驗因素，其次視覺、聽覺通道在此產品中也是必要感知通道，嗅覺優先級較低當這些體驗響應與虛擬環境同步后可加強用戶沉浸感，同時減少VR設備帶來的暈眩感。在效應通道方面，用戶通過效應通道實現基本的騎行動作（轉彎、蹬腳踏、剎車）和游戲規則動作（發射“炮彈”）。

3.3 設計騎行產品通道的相關使用邏輯流程

除了視覺通道，確定觸覺和聽覺為用戶的主要交互通道。觸覺通道的典型行為方式有控制龍頭、蹬腳踏、剎車等，在中間件（編碼器，光電門等）接收到動作信息后系統進行數據處理，反饋包括速度、俯仰、側傾、阻力、顛簸等體感給用戶，這些體感由伺服電動缸、磁粉控制器和氣彈簧實現。除此之外，觸覺的行為方式上由于有游戲交互需求，需在車把上增加“發射炮彈”按鈕，聽覺通道直接由音響提供。騎行過程中，用戶的感知通道和效應通道同時工作，不斷與產品進行信息交換，信息在系統中循環并形成互補，這時用戶在虛擬環境中的騎行體驗也更接近自然。

3.4 對產品進行具體工業設計

首先對室內健身自行車的外部形態進行構思，提出多個概念性方案，再根據機械傳動方式、技術工藝、材料等確定產品的內部結構，然后根據內部結構對多個概念方案考量，確定后進一步設計外部形態，包括整體的造型、人機尺寸和色彩等。經過方案的不斷迭代推敲，最后確定最佳方案，如圖1。

3.5 可行性評測

多通道室內健身自行車的設計部分完成，為了評測其效應，筆者首先在建模軟件進行了運動模擬，結構設計上能夠順利完成俯仰、側傾、阻力、顛簸等功能。接下來，參照結構設計加工裝配了一款原型，如圖2。經過對VR騎行游戲的虛擬環境的調試，進行了實踐測試，自行車能正常使用，并達到預期目標，暈眩感與普通健身車相比有所減少，但依然存在，這是虛擬現實體驗目前不可避免的問題。

本案例從產品設計層面上立足于多效應對虛擬環境下多通道人機交互做一個說明，也詮釋了本文對基于多通道虛擬現實人機交互系統中的設計流程研究。這種設計流程提高設計師產品設計效率和質量，各個交互流程得到合理的調節和整合，提升了產品的用戶交互效率和體驗。

4 結束語

多通道虛擬現實人機交互系統合理結合了多通道交互和虛擬現實特點，將用戶體驗帶到一個新維度。基于對此系統中的產品設計流程研究，有效節約了時間、空間以及設計資源，提高設計效率和質量，同時實現了人、產品、虛擬環境之間交互的自然性、高效性、兼容性。在這個系統中，虛擬現實部分帶來的暈眩現在技術上還未解決，作為產品設計師，怎樣從產品設計和交互設計角度盡量減輕暈眩感是接下來需要研究的課題。

參考文獻：

[1]張超，趙江洪.汽車導航多通道交互設計[J].包裝工程，2015（22）：67-70.

[2]俸文.多通道人機交互技術的研究[D].南京理工大學，2004.

[3]Laurence M. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering[J].Journal of Bone & Joint Surgery， 1995，13（4）：1-1.

[4]高欣，孫漢旭，賈慶軒，等.自行車仿真健身器的設計與實現[J].系統仿真學報，2005，17（5）：1163-1167.

[5]田遠霞.增強現實下多通道交互模型研究與實現[D].浙江大學，2015.

[6]周明.多通道人機交互系統在產品設計中的整合應用研究[C].2007國際工業設計研討會暨全國工業設計學術年會，2007.