涉及人體交互的虛擬現實技術的技術脈絡

陳新宇

【摘要】人機交互是指人機之間互相施加影響，交換信息的方式，是聯系人和機器之間的橋梁和紐帶。狹義上的人機交互主要是指人和計算機的信息交換。早期人們主要關注機器硬件設備性能的提高，從而忽略了人機交互的重要性。隨著晶體管的發明和計算機、網絡等技術的逐漸成熟，尤其是計算機軟件技術的發展，使得人們越來越意識到人機交互設計的重要性。隨著計算機硬件、軟件技術的發展以及人類對各種機器需求的多層次、多方位化，傳統的一維、二維人機交互方式將逐漸被淘汰掉，新技術的出現必將導致嶄新的、更加自然和諧的人機交互方式和人機界面的出現。

【關鍵詞】人機交互;虛擬現實;信號;視覺;顯示;控制

一、概述

目前對虛擬現實技術尚無嚴格的界定，但可以這樣來概括它的技術內容：VR技術利用計算機和電子技術產生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環境，形成一種虛擬世界。通過專門的交互裝置（特制的眼鏡、頭盔、手套或環境中的傳感器等），用戶可根據自身的感覺，使用人的自然技能對虛擬世界中的客體進行考察或操作，參與其中的事件，并使參與者“沉浸”于模擬環境中，從根本上改變人機之間的隔閡。這種技術提供了一種全新的人機交互方式和概念，即包括視覺、聽覺、觸覺等多維的自然交互手段。虛擬交互人機界面成為未來人機界面發展的一個主要趨勢。

二、人機交互的虛擬現實技術脈絡

（一）頭部追蹤交互

1.技術實現

頭戴式顯示裝置（Head Mounted Display，HMD），是一種佩戴在頭部、將微縮圖像直接投射于視網膜上，進而于觀看者眼中呈現大屏幕圖像的裝置。它形如眼鏡，其工作原理，就是通過一組光學系統放大超微顯示元件上的圖像。作為一種新型的便攜式顯示器，HMD將視覺效果和使用便捷性進行了很好的結合，除了用于休閑娛樂的影視觀賞、游戲之外，在工業、醫學、軍事等領域也有一定的應用。

2.專利申請量趨勢

圖1是頭部軌跡輸入裝置在虛擬現實中的應用的在國內近10年的專利申請量。可以看到專利申請量從2009年開始有少量申請，并且逐年遞增，在近幾年由于虛擬現實技術處于風口浪尖，各大科技公司以及高校都爭相研究，成為熱門的研究風口，因此，在2015—2016年之間，該領域的申請量達到指數級的增長。其對應的CPC分類號為G06F3/012（頭部軌跡輸入裝置），在該定義范圍內，頭部軌跡被解釋為包括臉部檢測和軌跡。

（二）視覺交互

1.方案特點

視線追蹤/眼動追蹤對于用戶行為理解和高效人機交互具有重要意義。人類可感知信息中超過80%的部分由人眼接收，而其中超過90%的部分由視覺系統處理。因此，視線是反映人與外界交互過程的重要線索。目前的解決方法大多基于主動光源和紅外攝像，因此需要額外的硬件，并且對使用環境要求較高。

2.專利申請量趨勢

圖1是視覺軌跡輸入裝置在虛擬現實中的應用的在國內近10年的專利申請量。可以看到專利申請量從2009年國內已經有一定的申請，起步比頭戴虛擬裝備要早，并且逐年遞增，在近幾年也是逐年呈線性增長，表明國內對視覺交互技術的研究近10年從未間斷，一直保持著不斷的研究投入和產出。其對應的CPC分類號為G06F3/013（視覺軌跡輸入裝置），在該定義范圍內，視覺軌跡被不僅包括眼睛軌跡，還包括視線軌跡。

（三）數據手套交互

1.方案特點

數據手套是虛擬現實系統的重要組成部分，是一種通用的人機接口，其直接目的在于實時獲取人手的動作姿態，以便在虛擬環境中再現人手動作，達到理想的人機交互目的。

2.專利申請量趨勢

圖1是手戴的輸入/輸出裝置，例如數據手套在虛擬現實中的應用的在國內近10年的專利申請量。可以看到專利申請量從2009年國內有少量申請，并且申請量雖然逐年遞增，但是總量依舊不大，并且在2012年申請量還有所下降，隨后在2015—2016年間申請量有較大增加。其對應的CPC分類號為G06F3/014（數據手套），在該定義范圍內，同樣包括手戴鍵盤。

（四）基于神經中樞系統的交互

1.方案特點

在康復領域內的人機交互系統里，實現人機交互的信息源多為人體生物信號。尋找穩定完備的信息源應用到人機交互系統中是當今的熱點和難點。到目前為止已經出現了許多不同控制信號源的選擇和嘗試。例如：肌電信號（Electromyography，EMG）、腦電信號（Electroencephalography，EEG）、聲音信息源、延伸生理本體感覺信息源、肢體肌肉周徑變化信息源、肢體殘端再造指控制信息源、肢體機械運動信息源、肌腱信息源、腦磁信息源等。圖1是基于神經中樞系統的交互，例如通過腦電信號在虛擬現實中的應用的在國內近10年的專利申請量。

三、結語

從行業發展趨勢來看，虛擬現實技術目前處于高速發展的階段，大量國際大型企業涉足該領域，印證了該領域的巨大發展潛力。通過分析專利活動主體的類型，可以看到企業型專利活動主體一直主導著虛擬現實領域的發展，中國的主體類型構成明顯異于其他國家，以院校型主體為主，說明在中國虛擬現實技術主要處于研究型。當然，專利技術的集中性研發也會使我國主體相較于他國主體更為專精和專業，因此在諸如圖像信息處理和數據識別技術等特定的細分領域，更容易取得高新成果，形成我國的研究特色。