分析虛擬現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)中基于手勢(shì)的人機(jī)交互

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)三維環(huán)境的計(jì)算機(jī)模擬。本文為對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)敘述人機(jī)交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)理論，并以此為基礎(chǔ)，展開對(duì)虛擬環(huán)境人機(jī)交互問題分析，梳理虛擬環(huán)境本身特點(diǎn)，提出虛擬環(huán)境中人機(jī)交互技術(shù)方式、碰撞算法等關(guān)鍵問題，最后再對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下人機(jī)交互運(yùn)行機(jī)制實(shí)踐進(jìn)行研究，闡明當(dāng)前人機(jī)交互技術(shù)不足之處，并對(duì)未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展提供方向。全文通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互技術(shù)研究，意識(shí)到人機(jī)交互和諧重要性以及人機(jī)交互技術(shù)對(duì)未來(lái)科技發(fā)展關(guān)鍵性，從而在推動(dòng)人機(jī)交互技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新的同時(shí)，更好推動(dòng)科技進(jìn)步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng);虛擬場(chǎng)景;人機(jī)交互技術(shù);研究

虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)生成的系統(tǒng)。具有沉浸感、交互性以及構(gòu)想性等特征。人機(jī)交互技術(shù)對(duì)推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)廣泛應(yīng)用和提高用戶體驗(yàn)有著非常重大的意義[1]。交互性使用戶與虛擬環(huán)境建立雙向感。人機(jī)交互是實(shí)現(xiàn)虛擬走向應(yīng)用的關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實(shí)在軍事、醫(yī)療、航空航天、教育以及遠(yuǎn)程控制等方面都起到關(guān)鍵作用，未來(lái)，這種技術(shù)很有可能改變世界，與人成為一個(gè)共生體一起生活[2]。

1.理論基礎(chǔ)

1.1人機(jī)交互技術(shù)

計(jì)算機(jī)剛誕生，交互通常采用開關(guān)、指示等二進(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言進(jìn)行。 70年代后期，出現(xiàn)圖形化界面，又稱WIMP界面，即窗口、圖標(biāo)、菜單和指點(diǎn)裝置 [3]。

1.2虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在眾多技術(shù)和算法支撐作用實(shí)現(xiàn)飛速發(fā)展。2016年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)成為各行各業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，與之相關(guān)應(yīng)用層出不窮[4]。我們可使用三維交互式動(dòng)態(tài)現(xiàn)實(shí)來(lái)創(chuàng)建虛擬世界，讓人有身臨其境之感。

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互技術(shù)結(jié)合可獲近乎真實(shí)交互體驗(yàn);如，不具備物理實(shí)物，采用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備搭建預(yù)期模擬場(chǎng)景;也可不改變硬件設(shè)備，模擬出物理實(shí)物。虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互技術(shù)中如何將人機(jī)交互更自然、直觀的使用在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中是該技術(shù)的重點(diǎn)工作[5]。

2虛擬環(huán)境人機(jī)交互問題分析

2.1虛擬環(huán)境本身的特點(diǎn)

（1）虛擬環(huán)境的分布性

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱DVE。在DVE系統(tǒng)中考慮因素較多，如：支持協(xié)同工作、使用Internet網(wǎng)和ATM網(wǎng)、限時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)保證實(shí)時(shí)效應(yīng)、對(duì)系統(tǒng)中幾何模型數(shù)據(jù)進(jìn)行管理以及將人工智能引入DVE系統(tǒng)中都可作為該系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向[6]。

（2）虛擬環(huán)境的并發(fā)性

并發(fā)性體現(xiàn)在兩方面，一是多個(gè)用戶各自執(zhí)行任務(wù)構(gòu)成并發(fā)，二是虛擬環(huán)境中，多個(gè)對(duì)象自主行為序列之間構(gòu)成并發(fā)。所謂虛擬環(huán)境的并發(fā)性，是在其內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立控制流，并發(fā)條件下，對(duì)象可接受多個(gè)輸入流，也可在內(nèi)部存在多個(gè)線程，運(yùn)作過(guò)程中對(duì)并發(fā)采取有效的控制，可促進(jìn)系統(tǒng)預(yù)期任務(wù)的完成[7]。

（3）虛擬環(huán)境的交互性

虛擬環(huán)境是一種特殊環(huán)境，可利用特殊裝置，投射到虛擬環(huán)境中。虛擬環(huán)境將用戶與計(jì)算機(jī)看作一個(gè)整體，將原本抽象化信息可視化。交互性除人機(jī)交互，還包括人與對(duì)象之間交互以及組建和對(duì)象之間彼此交互。

2.2虛擬環(huán)境直接操作人機(jī)交互的關(guān)鍵問題分析

（1）人機(jī)交互方式研究

虛擬環(huán)境在傳感技術(shù)局限下，準(zhǔn)確性與真實(shí)性仍然存在差異。為解決這一問題，一是利用觸覺交互實(shí)現(xiàn)真實(shí)感提升。觸覺交互可實(shí)現(xiàn)用戶與計(jì)算機(jī)的雙向交互。二是多傳感器通道信息融合算法，人機(jī)交互用戶模型及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)建模，這些算法的出現(xiàn)是為解決上述中視覺計(jì)算的問題，算法的出現(xiàn)讓虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)得到提升。

（2）碰撞檢測(cè)

碰撞問題中包含兩個(gè)內(nèi)容，一是碰撞檢測(cè)，二是碰撞響應(yīng)。后者又屬于力學(xué)研究范圍，關(guān)于碰撞問題所涉及到的應(yīng)用很廣泛，在二維平面和三維空間進(jìn)行碰撞檢測(cè)，所遇到的問題是完全不同的，難度上三維物體的構(gòu)造更復(fù)雜，碰撞檢測(cè)算法也更困難[8]。

3.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下人機(jī)交互運(yùn)行機(jī)制實(shí)踐研究

3.1三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

在計(jì)算機(jī)中生成復(fù)雜高精準(zhǔn)度三維圖形較困難。如不對(duì)其精準(zhǔn)度要求，用戶在虛擬空間行為定位會(huì)產(chǎn)生偏差。三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，需在不同光照角度，物體發(fā)生視覺轉(zhuǎn)化。在空間移動(dòng)頻次實(shí)時(shí)刷新時(shí)，圖像信息也必須隨之刷新，還要保障輸出質(zhì)量，只有這樣人機(jī)交互模式才能達(dá)到預(yù)期效果。

3.2廣角立體顯示技術(shù)

用戶接受視覺信息相對(duì)有限，終端上呈現(xiàn)也僅是雙眼焦距能適應(yīng)的范圍，虛擬物體距離與大小比較適中，這種狀態(tài)一直持續(xù)到IMAX技術(shù)出現(xiàn)之前[9-10]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)下，雙目立體視覺得到增強(qiáng)，用戶視野拓寬后，動(dòng)態(tài)觀察視覺廣度與環(huán)境認(rèn)知得到提升，人機(jī)交互沉浸感明顯增強(qiáng)。

3.3立體聲聽覺效果與感知反饋信息

人機(jī)交互效果增強(qiáng)中，立體聲效是基礎(chǔ)條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可感受到不同立體聲效實(shí)時(shí)輸出，方向感較強(qiáng)。當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)在聽覺感知在方位判斷位移效應(yīng)上較差。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中除聽覺效果，觸覺上也很重要。當(dāng)前技術(shù)的不斷更新，用戶可通過(guò)數(shù)據(jù)手套來(lái)感知虛擬事物的光滑度，振動(dòng)感等，這種模擬觸覺是人機(jī)交互感知得到進(jìn)一步加強(qiáng)[11]。

4.總結(jié)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使各行業(yè)領(lǐng)域迎來(lái)新的生機(jī)與活力。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中人機(jī)交互技術(shù)，確實(shí)讓人們的生活發(fā)生巨大的改變[12]。

未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下人機(jī)交互技術(shù)必將面臨更多挑戰(zhàn)，必須研究虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互，人的視覺機(jī)制與自然人機(jī)交互的理論和方法，建立各種人機(jī)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以使虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的指標(biāo)更具邏輯性。

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作者簡(jiǎn)介：

方浩（1976-）男，本科，工程師，主要從事電力信息化管理及配網(wǎng)自動(dòng)化管理工作。

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局 ?貴州 ?貴陽(yáng) ?550000）