三維交互技術在家居設計系統中的應用研究

毛霄萌

摘? 要：隨著沉浸式技術的不斷發展，三維交互技術在沉浸式技術應用中扮演著越來越重要的角色。對于家居設計系統，在解決了展示平臺的技術問題之后，對人機交互的要求也在不斷提高，三維交互技術的引入對家居設計系統尤為重要。該文對家居設計系統應用三維交互技術進行了交互模式進行設計。在針對主流虛擬現實平臺中的交互問題采用了虛擬控件（Widgets）的方式進行設計與實現，并應用在家居設計系統中。目的是為家居設計系統研究更靈活可靠以及可擴展的三維交互方式。

關鍵詞：三維交互技術? 家居設計系統? 三維交互模式

Abstract： With the continuous development of immersive technology， 3D interactive technology plays an increasingly important role in immersive technology applications. For the home design system， after solving the technical problems of the display platform， the requirements for human-computer interaction are also constantly improving. The introduction of three-dimensional interactive technology is especially important for the home design system. This paper designs the interactive mode for the application of 3D interactive technology in the home design system. In the mainstream virtual reality platform， the interaction problem is designed and implemented by means of virtual widgets （Widgets）， and is applied in the home design system. The goal is to develop a more flexible， reliable and scalable three-dimensional interaction for home design systems.

Key Words： 3D interactive technology; Home design system; 3D interactive mode

1? 三維交互

隨著沉浸式技術的快速發展以及應用的普及，尤其是三維顯示技術的日益成熟，傳統的以鼠標鍵盤以及二維平面的人機交互方式已經不能夠滿足越來越豐富的三維虛擬環境的交互需要。傳統的人機交互模式來源于當前主流的二維顯示系統，人們只需要通過鼠標、鍵盤以及觸摸屏對平面顯示器中的各種圖形控件進行交互。在三維技術高速發展之前，以鼠標鍵盤點擊的方式是可以滿足絕大多數計算機軟件的人機交互的。但是在三維技術快速發展之后，這種傳統的方式越來越不能夠滿足人們對計算機虛擬環境中的三維物體的交互需求。

在傳統的二維顯示系統中，對于三維的虛擬場景最大的障礙就是無法很好地表示三維場景的深度，對深度信息不能夠很好地進行交互，造成用戶需要不斷地將對象進行翻轉，移動來校正用戶對虛擬場景或物體的判斷。這樣的過程無疑是浪費了大量用戶的時間。對于學習三維設計和三維交互的初學者來說，這個部分的操控學習占用了他們大量時間，而這僅僅是集中在操作上的，并不能將他們的精力解放到三維設計和創意中去。

人機交互設計的目標就是實現自然、本能的人機交互。當傳統的交互方式和交互設備不能夠滿足人們的需要的時候，人們不斷嘗試用新的設備和交互方式來彌補和解決這些問題。三維交互技術就是為了改善和彌補傳統交互方式，并基于三維的顯示設備最終希望達到人機自然、本能地交互。

2? 家居設計系統中的三維交互模式

當前，家居設計行業已經正在經歷大的變革。多種前沿的信息技術已經被應用在家居設計行業中，包括利用數據庫技術進行家居設計相關的數據存儲及調用，還有當前最火的沉浸式技術。

在沉浸式技術中，視覺方面的技術已經從各個層面發展了很多相關技術，比如頭戴式虛擬現實顯示技術、CAVE技術、真三維顯示技術等。

三維交互技術作為沉浸式技術中人與虛擬世界連接的重要技術，也被慢慢重視起來。對于家居設計系統的交互模式，傳統的基本是基于平面的。不論是在觸摸屏上還是傳統的鼠標鍵盤式的操作界面，基于平面顯示器的交互操作仍然只是鼠標點擊，視角的控制等基本模式。這樣的交互模式有其先天的劣勢，就是缺乏在空間的深度中獲得交互，即用戶很難對深度的距離和相關物體進行交互操作。所以三維交互技術的應用以及三維交互模式的開發變得尤為迫切。

在家居設計系統中，對于用戶和家居設計師最主要的功能是完成在虛擬環境中的漫游和相關家具物品，室內裝飾材料的選擇。所以對于家居設計系統中的交互操作，用戶的主要任務是完成對場景的瀏覽、漫游;對場景內的相關控件的交互，以及家居物品的擺放變更位置，所以對家居設計系統的三維交互模式如圖1所示，交互模式分為以下5個大類，分別為選擇、操作、視角控制、間接控制、復合模式。這5個大類又可以細分為16個小類。每個小類還可以再具體細分。這個分類是通過用戶進行沉浸式家居設計系統的體驗角度得來的。

3? 家居設計系統中的三維交互實現

在家居設計系統中，需要考慮的最主要問題就是用戶與系統之間的交互。由于當前可以預見的演示或展示平臺主要集中在兩個方面，即頭戴式虛擬現實環境以及以平面顯示器為主的終端（臺式計算機顯示或智能手機）。因此，可用性較高的家居設計系統應是能夠勝任兩套主流顯示技術的（見圖2）。

3.1 家居設計系統中應用的三維交互技術

當前有以下幾種主要的三維交互技術可用在家居設計系統中。

3.1.1 點擊/指向交互

指向和點擊交互是當前在現實環境和虛擬世界中最簡單直接的一種交互方式。對于人機交互來說，傳統的計算機圖形人機交互方式就是基于對圖形的指向和點擊來實現的。比如，每個用戶都會使用的移動鼠標指針指向需要交互的圖形，并點擊來完成整個交互的輸入過程。在虛擬世界中，現在也通常用人眼的注視方向和虛擬控制手柄形成選擇方向。在這兩套完全不同的系統中，最基礎的實現方式都能夠較好地完成基礎人機交互任務。

3.1.2 直接操控

虛擬現實頭戴顯示設備是一整套集成了交互功能的顯示設備，人們戴著頭戴顯示設備通過轉動頭部就可以看到不同的場景內容，這種交互是直接操控。用戶在戴上頭盔顯示設備之后，就可以像在現實生活中一樣進行四周的查看以及互動，整個過程中，用戶完全是以本能在虛擬的環境中交互。而頭盔顯示設備則是通過六自由度的傳感器進行沉浸式交互。在這個層面上，人機三維交互是完全自然的交互。

3.1.3 混合交互技術

在實際的項目設計制作中，完全單一的直接操控和點擊指向交互都不能夠很好地完成所有交互任務。綜合使用這些交互技術才是對三維虛擬環境中多層次復雜場景和物體交互方式最理想的解決方案。根據不同交互任務的特點，融合使用不同的交互技術方法，能夠最大限度地發揮人們在交互中的自由性和方便性。

以當前最廣泛應用的三維顯示系統來說，三維的交互可以簡化為兩個方面的交互方式。

第一，是使用當前比較主流的以頭戴顯示為主的沉浸式系統中的三維交互設備進行輸入輸出模擬三維交互。比如HTC VIVE的雙手手柄、數據手套等。它們的特點是可以完全模擬三維場景中的物體進行交互，但問題在于在三維場景中沒有和現實生活中一樣的觸感和碰撞反饋，用戶很難判斷是否交互成功。

第二，是在三維場景中建立與傳統二維交互的控件進行三維交互的模擬。但這樣使用的問題是容易給全三維的環境帶來不和諧的視覺感受。

所以，在該文中，家居設計系統的三維交互方式需要將兩者有機融合并完成三維交互的模擬和設定。

3.2 家居設計系統中的三維交互框架及原則

3.2.1 虛擬場景三維交互應該遵循的原則

（1）根據交互應用的場景，限制人機交互的自由度。對相關控件的外觀進行設計研究，完成限制用戶誤操作的目標。

對于場景內的相關控件和相關交互元素，以及它們的行為方式盡可能地做出限定。因為在完全虛擬的環境中，用戶可以交互的使用范圍太廣，比傳統的平面圖形操作交互界面多了一個維度，如果不增加限制，用戶很可能將無法知曉他們可以交互的范圍，以及交互的方式，從而產生較多的誤操作，大大降低他們的。

（2）場景內的交互元素能明確表示出它的相應的交互功能和操作行為。

由于場景擴展到了三維的環境，而且不僅僅是桌面系統的三維環境，而是模擬現實環境的整個三維環境。用戶是不太可能馬上知曉哪些元素是可以進行交互的，哪些元素是場景元素。在現實環境中況且有可能有一些遮擋，如果在虛擬環境中不加以標識，或者可視化的引導，用戶很可能完全無法發現一些交互元素。

其中，由于需要適應兩套界面的操控，就必須使用控件的設計。控件的好處是它分為幾步對用戶進行提示并操作。在傳統的二維界面中，許多三維軟件采用的方式是首先進行醒目的標識引導或詢問用戶。用戶可以選擇或直接輸入所需要的三維位置或坐標。這樣的方式在使用的過程中可以進行精確定位，在傳統的二維圖形界面使用中非常有效。但在全三維的虛擬環境中，它很可能無效。因為在全三維的虛擬環境中，人們很難通過視覺的方式進行測量和判斷。在這樣的場景環境中，使用控件的方式，讓用戶直接通過控件的操控和交互的方式進行判斷和測量，雖然會讓用戶進行多次操作，但用戶在反復操作的過程中很好地完成了用戶的輸入和反饋的多次循環，這讓用戶能夠獲得更好的交互體驗，也增加了用戶對虛擬三維環境的了解和熟悉。從另一個角度來看，用戶可以更快速地找到虛擬環境中的交互方式。

3.2.2 三維控件為基礎的三維交互框架

三維控件為基礎的交互框架設定是從二維圖形界面的控件設計方式發展而來的。傳統圖形界面由二維或三維場景上的二維界面構成，如菜單、進度條或得分顯示等。但有時需要用戶在三維虛擬環境中與界面交互部件進行交互，如鍵盤、虛擬菜單或物品欄（尤其是以虛擬現實為展示的項目）。通過控件交互組件，可創建如滑塊、組合框、復選框等任意類型的交互控件，然后在三維虛擬環境中進行交互。使用控件組件顯示以三維形式存在于虛擬世界中的交互界面，還需要用戶與此控件進行交互，在該項目中可通過控件交互組件來實現交互。

三維控件為基礎的交互框架設計是以交互任務對象為核心展開的。為了支持交互任務對象，需要設定交互任務的用戶類型。

以家居設計系統為例，用戶類型主要分為設計師和家居客戶，這兩種不同的用戶在使用該系統的過程中需要涉及不同的交互任務。設計師需要對場景內的相關設置進行改變，需要比較大的自由度。同時，設計師作為專業用戶，比較熟悉在三維虛擬環境中的交互操作。所以，對于設計師用戶類型，在家居設計系統中給定的控件就相對復雜一些，控件可控的范圍也會大一些，而家居客戶則相對設置會簡單許多，以漫游瀏覽為主。模型的設計上，數據模型的操控設置將會比控件模型要少，數據連接也會少，因為在數據模型主要是以視覺的方式給用戶反饋。整個三維交互框架以“三維控件”為核心，但要完成以三維控件為核心的整個交互過程，其他模塊的支持是必不可少的。具體見圖3。

首先，是三維控件所控制的對象“虛擬模型”，沒有它，控件就沒有存在的必要。具體來說，控件模型和數據模型 之間存在一種依賴關系，一般情況下一個控件模型總是與唯一的一個數據模型相關聯，這由其數據模型成員源數據模型指出，而一個數據模型可以同時與一組控件模型產生關系，這由數據模型中的一個控件模型數組成員控件模型維護。當然，這些關系并非是必然存在的，比如一個 控件模型完全可以不與任何一個數據模型關聯。

其次，需要由工具來驅動控件模型實現對數據模型的操控，工具的任務設定就是操作控件模型，在此可以繼續沿用二維交互界面中相應的接口方式來實現操作。包括點擊、按住、移動等接口命令。

最后，所有相應的控件和模型都由視圖進行呈現。在傳統二維顯示平臺上，仍然以傳統方式呈現，與三維軟件視圖類似。在三維虛擬環境中，除了結合系統中的操作控件外，還需要將一些常用的控件固定在視圖中（在不影響正常三維視圖觀看的基礎上）。所以三維的視圖中目前分為兩套控件：一套是傳統的平面固定控件，另一套是全三維的控件，這套控件還必須加上頭戴顯示系統控制手柄的反饋（包括視覺反饋和手柄內置的觸覺反饋）。在操作上，設定三維控件交互組件執行光線投射，確定它是否命中世界場景中的控件組件。如命中，可設置規則確定與其交互的方式。交互通過模擬定義的按鍵來執行。例如一個按鈕可通過鼠標左鍵點擊，即可告知其他形式的輸入模擬一次鼠標左鍵點擊（控制器按鈕按下、運動控制器扳機鍵按下等）。

4? 結語

該文針對家居設計系統中三維交互的需求與特點，設計面向兩個主流展示平臺的三維人機交互模式，并結合當前相關三維交互技術實現了在虛擬場景為平臺的三維交互功能。集中討論了以當前主流顯示平臺中三維交互方式的設計思路及具體實現。整個三維交互的框架根據不同的交互層次，將不同的功能融入不同的虛擬環境中，盡力實現人機自然直接交互。同時，在框架的設置上使用模塊化的構造方式，使得整個框架的具有很強的擴展性以及再開發的潛力。

參考文獻

[1] 林遠芳，劉向東，劉旭.基于二維旋轉屏的體三維顯示系統像素屬性分析[J].光子學報，2004，33（4）：476-479.

[2] 潘文平，沈春林，蔡亮，等.交互式動態體三維顯示關鍵技術[J].科技導報，2011（1）：44-51.

[3] 鄧紅.三維交互技術的研究與應用[D].大慶石油學院，2007.