關于虛擬現實技術人機交互的研究

郭瑩潔

（山西金融職業學院 信息技術系 山西 太原 030008）

1 研究背景

1.1 虛擬現實技術簡介

VR虛擬現實技術的英文全稱為：Virtual Reality。其研究方向Wie計算機圖形學在人機接口中多媒體技術與網絡多媒體技術的結合。也可以將VR虛擬現實技術視為多種技術的交叉集合，是目前在人類感知系統中能夠提供最佳體驗效果的前沿技術。VR虛擬現實技術在實際運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、環境信息、傳感效果等。而模擬環境由計算機設備生成實時動態的三維數據信息，通過輸出設備與感應設備連接，將極為逼真的視覺效果傳達至用戶，進而產生了極強的視覺感知效果。除視覺感知效果之外，VR虛擬現實技術能夠通過力覺、觸覺、聽覺、運動等感知維度構建近似于真實環境的體育效果，甚至能夠在味覺或嗅覺的體驗中加強這樣的體驗強度。此外，在自然技能方面的技術革新，將用戶的頭部轉動、視角轉化、手勢變遷、乃至人體細微動作引入了統一的三維立體虛擬空間之內，因此能夠從多種角度處理用戶感知數據，建立從輸入信息到輸出信息的實時響應反饋機制。進而達到從五官感知創建體驗效果的深層沉浸效果，達到由傳感設備建立的三維交互體驗輸出。

1.2 人機交互機制內涵

HCI人機交互的英文全稱為：Human-Computer Interaction。從狹義角度分析，人機交互機制是計算機與人的任務達成機制。操作者在終端設備輸入任務類型，并設定執行程序，便可以在輸出設備中呈現出預期的計算結果。此時計算機設備與用戶的信息交換被稱之為人機交互。從廣義角度分析，人機交互是計算機技術發展過程中逐步傾向于人類感知系統的功能性與易用性升級。在現代科技逐步演化的過程中，人機交互更加傾向于由計算機主動解決、生成、演化、計算出人類需求的預期數據信息。因此，在HCI人機交互的研究領域中，主要研究當使用者存在感知差異時，如何提升其使用效果。諸如當文化背景、操作習慣、應用規律完全不同的時候，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到真正的人機交互體驗真實度，而在VR虛擬現實技術快速發展之后，來自不同感官體驗的信息結構，增強的人類感知的人機交互程度。因此，VR虛擬現實技術在很大程度上完善了計算機系統的人機交互時效性，并將實時分析數據和三維立體感知帶入人機交互環境，創設了超越以往感知效果的信息交互條件與環境要素。

2 VR虛擬現實技術特征

VR虛擬現實技術能夠引導使用者在三維立體的虛擬空間中感受模擬環境的真實度。此時，使用者產生了極為其強烈的沉浸感，而這樣的沉浸感便是人機互動機制的最終訴求。從人機交互的視角分析，VR虛擬技術具備了四項最為基本的特征，也正是這四項特征強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據信息是計算機系統所提供的數據類型轉化。以往時期從0，1進制到終端界面的視頻動態信息輸出幾乎契合了人類感知系統的全面需求。但是在三維技術和傳感器技術相互融合之后，VR虛擬現實技術能夠達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、以及運動感知。在虛擬仿真的三維立體空間之內，操作者借助VR設備能夠體驗到虛擬空間的一切行為驅動體驗，從而體現出了VR虛擬現實技術的多重感知性。

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輸出信息的真實度，但是無法還原現場信息或虛擬信息的多維感知體驗。因此，其人機交互過程中的存在感并不強烈，無法真正激發使用者對于虛擬空間的想象。但是VR虛擬現實技術通過三維場景的創建，將用戶視角帶入了虛擬空間之內，并借助傳感器系統加強了多種感知維度，從而達到了促進人類感知系統存在意識的交互機制。在此過程中，近似于真實環境的模擬信號和感知環境讓用戶很難區分或甄別虛擬世界的真實性。因此，用戶在人機交互機制中的自我存在感也產生了質的飛躍，真正融入了虛擬環境的深度體驗。

2.3 交互性

傳統意義的交互性特指人機交互的信息交換頻次，當交互速度和交換頻次較高時，證明交互性較強。而VR虛擬現實技術將交互性的特征發揮到了極致，用戶對仿真模擬的三維環境更加青睞，尤其虛擬環境內的物體具備了數據信息轉化機制，可以進行多次可操作，那么虛擬物體的移動、轉換、運動等諸多反饋信息必然增強了最終的體驗程度，從而達到接近于真實情景的自然效果。因此，在VR虛擬現實技術中所提供的反饋信息更加契合了人機交互模式的數據信息獲取能力，能夠完善和優化其技術本身的交互性特征。

2.4 自主性

以往時期計算機系統中的人機交互模式是建立在輸出輸入設備的信息轉化機制中，而在VR虛擬現實技術中，虛擬環境為操作者創造了更為簡易的驅動規律。這種驅動規律更加具備自主性，即虛擬環境中的物體可以依據現實世界中的物理運動定律而產生相應動作范式。那么在設計虛擬空間時，最終模擬現實環境的基本信息可以完成更為深層次的信息互換，從而達到人機交互的最佳運行效果。

3 基于虛擬現實技術的人機交互運行機制技術實踐路徑

VR虛擬現實技術能夠達到較強的人機交互效果，需要通過多種技術手段來實現。本研究將人類感知的信息維度作為分析其技術類型的主要路徑，從而進一步分析多種技術特征的實踐方式。從近些年來VR技術到AR技術的升級與應用效果來看，能夠達到增強人機交互效果的主要技術類型包括：三維計算機圖形技術，廣角（寬視野）立體顯示技術，用戶（頭/眼/手)跟蹤技術，觸覺/力覺反饋技術、立體聲聽覺效果信息交互技術、以及語音輸入輸出技術等。現做如下分析：

3.1 三維計算機圖形技術

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

3.2 廣角（寬視野）立體顯示技術

用戶能夠接受計算機系統所提供的視覺信息相對有限，在IMAX技術出現之前，圖像信息在終端界面所呈現出的視角僅為雙眼焦距的適應范圍，其虛擬物體的距離與大小較為適中。此時，人機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視覺感知。但是VR虛擬現實技術將推進了雙目立體視覺效果的感知性，為人機交互模式創造了有利環境。用戶雙眼可以在VR虛擬現實技術所創建的虛擬空間內觀察，而傳統顯示設備卻無法達到這樣的交互效果。此時，用戶借助VR顯示設備可以在一只眼睛中感受到奇數幀圖像，而另一側研究可以觀察到偶數幀圖像，奇、偶幀的迭代演化與信息疊加產生了基于視差效應的立體感知。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生同位轉化，因此物體坐標系也會同時發生姿態或位置的遷移。那么用戶所觀察到的景象也如同現實世界中的位置變化，更加契合了虛擬體驗效果的人機交互模式，增強了動態觀察的視覺廣度與環境認知。尤其不同于鼠標鍵盤等輸入設備，三維空間本身存在六個自由度，VR虛擬現實技術可以通過數據手套完成人機數據信息交互，通過SpaceBall空間球或3Space數字化儀完成信息輸入，進而映射出任意運動規律，支持人機交互數據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

立體聲效是增強人機交互效果的必要基礎條件，但是以往時期立體聲效并不能通過單一的音頻輸出設備達到三維立體的聲效感官需求。而VR技術則可以在左右耳之間進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。在現實世界中，來自不同方向的聲音效果其強弱與角度都會令人隨聽覺傳遞角度自主偏離。人機交互技術的極致也是在虛擬環境小模擬這樣的立體聲聽覺效果。但目前VR系統中能夠達到的聽覺感知并不存在方位判斷的位移效應，這一點也是VR技術需要不斷完善和發展的關鍵技術之一。此外，在VR虛擬現實系統中，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據手套提供的重要輸出信息設備。用戶可以通過數據手套創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一步加強人機交互感知的重要方式。

4 結語

綜上所述，VR虛擬現實技術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用戶的多感知性、存在感、交互性、以及主動性。為了進一步加強VR虛擬現實技術對于人機交互模式的開發，可以通過三種路徑逐步完善。其一，可以借助三維計算機圖形技術加強圖像數據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補充多重感知效果。進而達到由VR虛擬現實技術促進人機交互效果的最佳運行狀態。

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