关于虚拟现实技术人机交互的研究

郭莹洁

（山西金融职业学院 信息技术系 山西 太原 030008）

1 研究背景

1.1 虚拟现实技术简介

VR虚拟现实技术的英文全称为：Virtual Reality。其研究方向Wie计算机图形学在人机接口中多媒体技术与网络多媒体技术的结合。也可以将VR虚拟现实技术视为多种技术的交叉集合，是目前在人类感知系统中能够提供最佳体验效果的前沿技术。VR虚拟现实技术在实际运行过程中可以模拟三维空间的诸多元素，诸如自然技能、感知系统、环境信息、传感效果等。而模拟环境由计算机设备生成实时动态的三维数据信息，通过输出设备与感应设备连接，将极为逼真的视觉效果传达至用户，进而产生了极强的视觉感知效果。除视觉感知效果之外，VR虚拟现实技术能够通过力觉、触觉、听觉、运动等感知维度构建近似于真实环境的体育效果，甚至能够在味觉或嗅觉的体验中加强这样的体验强度。此外，在自然技能方面的技术革新，将用户的头部转动、视角转化、手势变迁、乃至人体细微动作引入了统一的三维立体虚拟空间之内，因此能够从多种角度处理用户感知数据，建立从输入信息到输出信息的实时响应反馈机制。进而达到从五官感知创建体验效果的深层沉浸效果，达到由传感设备建立的三维交互体验输出。

1.2 人机交互机制内涵

HCI人机交互的英文全称为：Human-Computer Interaction。从狭义角度分析，人机交互机制是计算机与人的任务达成机制。操作者在终端设备输入任务类型，并设定执行程序，便可以在输出设备中呈现出预期的计算结果。此时计算机设备与用户的信息交换被称之为人机交互。从广义角度分析，人机交互是计算机技术发展过程中逐步倾向于人类感知系统的功能性与易用性升级。在现代科技逐步演化的过程中，人机交互更加倾向于由计算机主动解决、生成、演化、计算出人类需求的预期数据信息。因此，在HCI人机交互的研究领域中，主要研究当使用者存在感知差异时，如何提升其使用效果。诸如当文化背景、操作习惯、应用规律完全不同的时候，如何提高终端界面输出信息的理解效果。在以往时期通过单纯的视频输出端口很难达到真正的人机交互体验真实度，而在VR虚拟现实技术快速发展之后，来自不同感官体验的信息结构，增强的人类感知的人机交互程度。因此，VR虚拟现实技术在很大程度上完善了计算机系统的人机交互时效性，并将实时分析数据和三维立体感知带入人机交互环境，创设了超越以往感知效果的信息交互条件与环境要素。

2 VR虚拟现实技术特征

VR虚拟现实技术能够引导使用者在三维立体的虚拟空间中感受模拟环境的真实度。此时，使用者产生了极为其强烈的沉浸感，而这样的沉浸感便是人机互动机制的最终诉求。从人机交互的视角分析，VR虚拟技术具备了四项最为基本的特征，也正是这四项特征强化了使用者的沉浸感，分别为：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

人机交互本身是信息传递的双向过程，此时人类能够感知到的数据信息是计算机系统所提供的数据类型转化。以往时期从0，1进制到终端界面的视频动态信息输出几乎契合了人类感知系统的全面需求。但是在三维技术和传感器技术相互融合之后，VR虚拟现实技术能够达到的体验感知拓展了更多的感官需求。其中包括了触觉、听觉、味觉、嗅觉、以及运动感知。在虚拟仿真的三维立体空间之内，操作者借助VR设备能够体验到虚拟空间的一切行为驱动体验，从而体现出了VR虚拟现实技术的多重感知性。

2.2 存在感

以往时期终端视频输出界面所提供的感知效果仅能通过视觉体验加强输出信息的真实度，但是无法还原现场信息或虚拟信息的多维感知体验。因此，其人机交互过程中的存在感并不强烈，无法真正激发使用者对于虚拟空间的想象。但是VR虚拟现实技术通过三维场景的创建，将用户视角带入了虚拟空间之内，并借助传感器系统加强了多种感知维度，从而达到了促进人类感知系统存在意识的交互机制。在此过程中，近似于真实环境的模拟信号和感知环境让用户很难区分或甄别虚拟世界的真实性。因此，用户在人机交互机制中的自我存在感也产生了质的飞跃，真正融入了虚拟环境的深度体验。

2.3 交互性

传统意义的交互性特指人机交互的信息交换频次，当交互速度和交换频次较高时，证明交互性较强。而VR虚拟现实技术将交互性的特征发挥到了极致，用户对仿真模拟的三维环境更加青睐，尤其虚拟环境内的物体具备了数据信息转化机制，可以进行多次可操作，那么虚拟物体的移动、转换、运动等诸多反馈信息必然增强了最终的体验程度，从而达到接近于真实情景的自然效果。因此，在VR虚拟现实技术中所提供的反馈信息更加契合了人机交互模式的数据信息获取能力，能够完善和优化其技术本身的交互性特征。

2.4 自主性

以往时期计算机系统中的人机交互模式是建立在输出输入设备的信息转化机制中，而在VR虚拟现实技术中，虚拟环境为操作者创造了更为简易的驱动规律。这种驱动规律更加具备自主性，即虚拟环境中的物体可以依据现实世界中的物理运动定律而产生相应动作范式。那么在设计虚拟空间时，最终模拟现实环境的基本信息可以完成更为深层次的信息互换，从而达到人机交互的最佳运行效果。

3 基于虚拟现实技术的人机交互运行机制技术实践路径

VR虚拟现实技术能够达到较强的人机交互效果，需要通过多种技术手段来实现。本研究将人类感知的信息维度作为分析其技术类型的主要路径，从而进一步分析多种技术特征的实践方式。从近些年来VR技术到AR技术的升级与应用效果来看，能够达到增强人机交互效果的主要技术类型包括：三维计算机图形技术，广角（宽视野）立体显示技术，用户（头/眼/手)跟踪技术，触觉/力觉反馈技术、立体声听觉效果信息交互技术、以及语音输入输出技术等。现做如下分析：

3.1 三维计算机图形技术

三维计算机图形技术是增强人机交互信息传递速率的关键技术之一。相比较而言，由计算机系统生成复杂图像信息或三维立体信息并不难。但是如果无法达到足够的精准度，用户在虚拟空间中的行为定位却会发生较大偏差。此时精准图像对于虚拟物体的三维视角设计是增强体验效果与沉浸感的重要方式。简而言之，三维计算机图形技术需要完成在不同光照角度下物体所发生的视觉转化。例如在飞行模拟器的人机交互中，图像信息必须随空间移动频次实时刷新，并在图像质量较高的输出信号中得到模拟复杂环境的输出质量。此时三维模拟技术则需要全面考量用户体验度才能够达到预期的人机交互模式，以便增强用户感知。

3.2 广角（宽视野）立体显示技术

用户能够接受计算机系统所提供的视觉信息相对有限，在IMAX技术出现之前，图像信息在终端界面所呈现出的视角仅为双眼焦距的适应范围，其虚拟物体的距离与大小较为适中。此时，人机交互信息始终处于距离信息对于实体景物的模拟信号单元，且在此过程中并无法直接加强视觉感知。但是VR虚拟现实技术将推进了双目立体视觉效果的感知性，为人机交互模式创造了有利环境。用户双眼可以在VR虚拟现实技术所创建的虚拟空间内观察，而传统显示设备却无法达到这样的交互效果。此时，用户借助VR显示设备可以在一只眼睛中感受到奇数帧图像，而另一侧研究可以观察到偶数帧图像，奇、偶帧的迭代演化与信息叠加产生了基于视差效应的立体感知。同时在头/眼跟踪器中，对于虚拟空间的感知可以随视角变动发生同位转化，因此物体坐标系也会同时发生姿态或位置的迁移。那么用户所观察到的景象也如同现实世界中的位置变化，更加契合了虚拟体验效果的人机交互模式，增强了动态观察的视觉广度与环境认知。尤其不同于鼠标键盘等输入设备，三维空间本身存在六个自由度，VR虚拟现实技术可以通过数据手套完成人机数据信息交互，通过SpaceBall空间球或3Space数字化仪完成信息输入，进而映射出任意运动规律，支持人机交互数据信息的三维空间时效性。

3.3 立体声听觉效果与感知反馈信息

立体声效是增强人机交互效果的必要基础条件，但是以往时期立体声效并不能通过单一的音频输出设备达到三维立体的声效感官需求。而VR技术则可以在左右耳之间进行不同立体声效的实时输出，因此其声音效果本身也具备了方向感的特质。在现实世界中，来自不同方向的声音效果其强弱与角度都会令人随听觉传递角度自主偏离。人机交互技术的极致也是在虚拟环境小模拟这样的立体声听觉效果。但目前VR系统中能够达到的听觉感知并不存在方位判断的位移效应，这一点也是VR技术需要不断完善和发展的关键技术之一。此外，在VR虚拟现实系统中，用户能够观察到的虚拟物体不仅可以通过声效或视觉效果来深刻感受，在触觉方面的感知功能也是数据手套提供的重要输出信息设备。用户可以通过数据手套创建的模拟触觉来感知虚拟事物的光滑度、震动感等等，这样的触觉效果也是进一步加强人机交互感知的重要方式。

4 结语

综上所述，VR虚拟现实技术能够拓展来自三维立体虚拟空间的感官体验效果，其基于视觉、听觉、触觉等多种感官维度的沉浸感能够激发用户的多感知性、存在感、交互性、以及主动性。为了进一步加强VR虚拟现实技术对于人机交互模式的开发，可以通过三种路径逐步完善。其一，可以借助三维计算机图形技术加强图像数据信息的真实体验效果。其二，可以通过广角（宽视野）立体显示技术完善视觉成像时效性。其三，采用立体声听觉效果与感知反馈信息技术补充多重感知效果。进而达到由VR虚拟现实技术促进人机交互效果的最佳运行状态。

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