多通道虚拟现实人机交互系统中的产品设计研究

张瑜

摘 要：本研究以虚拟现实和多通道人机交互作为产品设计切入点，采用归纳法以及类比法研究两者之间的联系，并进行有机整合，提出了基于多通道虚拟现实人机交互系统的产品设计流程，并从设计方法学的角度导入具体产品设计实践中。通过设计实践对该设计行程可行性进行了验证，证明在流程中可以有效节约时间、空间以及设计资源，同时提高产品中人机交互的自然性、高效性、兼容性。

关键词：多通道交互；虚拟现实；产品设计；通道

中图分类号：TB472 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0087-02

Abstract： In this study， virtual reality and multi-channel human-computer interaction are taken as the cut-in point of product design. Induction and analogy are used to study the relationship between the two， and organic integration is carried out. The product design process based on multi-channel virtual reality human-computer interaction system is put forward， and the concrete product design practice is introduced from the point of view of design methodology. The feasibility of the design itinerary is verified by the design practice. It is proved that the design process can save time， space and design resources effectively， and at the same time improve the natural， high efficiency and compatibility of human-computer interaction in the product.

Keywords： multi-channel interaction； virtual reality； product design； channel

多通道交互是指用戶同时通过多个不同通道或者同一通道的不同形式，感知产品信息并与之进行互动[1]，追求以自然、高效、并行、协作的方式来进行人机对话[2]。

虚拟现实本身就是一种多通道交互系统，即多通道虚拟现实人机交互系统[3]，将虚拟人在虚拟环境中的交互感知转化为真人与虚拟环境的交互体验。多通道交互致力于实现人与产品交互的真实、自然性[4]，而虚拟现实的仿真特性、沉浸感和多维交互性可以很好地满足这个需求。多通道虚拟现实人机交互系统将两者特点结合，建立多个单体之间的通信联系，将虚拟环境在真实世界中进行模拟，是一种新的交互体验[5]。

1 多通道交互产品

在多通道虚拟现实人机交互系统中，为了交互方式更自然，用户体验和沉浸感更好，设计师会将多种单一通道的交互设备进行重构、设计、集成，整合设计于某一种或一系列实体产品中，如万向跑步机，智能可穿戴背心等。本文在对多通道人机交互和虚拟现实研究的基础上，提出了多通道虚拟现实人机交互系统中的产品设计流程。在理论意义层面，本研究进一步丰富了产品设计方法学的理论体系；在实际意义层面，本研究可以提高设计师产品设计效率和质量，提升产品的用户交互效率和体验。

2 多通道虚拟现实人机交互产品设计流程

2.1 对虚拟环境语义对象进行深入研究

不同的虚拟环境让用户有不同的体验，即存在不同的行为方式，需要不同多通道产品实现，所以首先要对虚拟环境进行研究。深入研究即包括对每个语义对象的调研、分析、总结等，分析归纳出在此虚拟环境中最典型的语义对象。过程中主要解决两个问题，一是这个虚拟环境想通过用户的感知通道让用户感知到哪些语义信息；二是用户感知到信息后需要通过效应通道对虚拟环境做出哪些响应和反馈。

2.2 确定产品的交互方式和功能

确定产品的交互方式和功能就是把虚拟人的交互需求转化为真人的交互需求的过程，分析虚拟人在虚拟环境中的交互需求和真人是否要一致的问题，考虑虚拟人的每个交互需求在真实环境中模拟的可行性和优先级。一般有两种情况，一种是在原行为方式上进行模拟，如VR画画，橡皮擦擦除方式可直接用手势代替；另一种是模拟行为方式较难情况，如VR-CS游戏中，模拟虚拟人从背包切换不同器械的行为，就可以用简易按钮方式代替切换。

2.3 设计产品通道的相关逻辑流程

产品的各通道交互方式确定后，需要整合这些通道间的相关使用逻辑流程，规划单一通道的不同形式之间及各通道之间的内在联系。过程中，会遇见一对多（一个通道的多个使用形式）、一对一、或者一对零的情况，特别是后两者，要在此基础上做出进一步优化。这个流程是建立在符合实用性、经济性、独立性、互补性、动作节约性、区分性的基础上[6]。

2.4 对产品进行具体工业设计

通常情况下，多通道交互产品由四种设备构件构成：一是真实环境数据采集设备；二是传递环境状态变化，作用于感知通道的设备构件；三是接收虚拟环境数据控制二类构件的控制器；四是对上述构件进行装配的固件以及其外形构件。对产品进行具体的工业设计，主要包括根据需求选用构件，对各构件进行结构上的整合规划，要求整个产品设计合理适用，将复杂转化为简单，有明确的产品语义。

2.5 可行性评估

可行性评估是产品设计流程中不能忽略的环节，是对产品的一种综合性评价，在完成了产品相关整合设计工作之后，要在虚拟环境和真实环境中进行测试，做一个客观全面的可行性评估，主要有五个评价标准：人性化（人因工程、心理指向）、功能、结构、形态以及经济性。

3 基于多通道虚拟现实人机交互系统的产品设计流程案例分析

本研究笔者以室内健身车为例对上述产品设计流程做一个具体的实践说明。

3.1 对虚拟骑行环境中语义对象进行深入研究

在产品设计之前，课题组成员已经开发出一套VR自行车骑行游戏系统，所以笔者直接对此游戏的虚拟环境语义对象进行了研究分析。在这个自行车骑行虚拟环境中，用户主要任务是在规定时间内跟随地图指示按道路路径骑行，躲避障碍物并消除“怪兽”。这个过程中，虚拟人通过感知通道感知信息（视、听、嗅、触），在感知到这些信息后通过效应通道（手、脚、身体）等作出反馈，形成一个交互信息闭环空间。

3.2 确定骑行产品的交互方式和功能

自行车骑行作为一种最普及的交通和健身方式，触觉是最重要的感知通道，俯仰、侧倾、阻力、颠簸等是其中的关键体验因素，其次视觉、听觉通道在此产品中也是必要感知通道，嗅觉优先级较低当这些体验响应与虚拟环境同步后可加强用户沉浸感，同时减少VR设备带来的晕眩感。在效应通道方面，用户通过效应通道实现基本的骑行动作（转弯、蹬脚踏、刹车）和游戏规则动作（发射“炮弹”）。

3.3 设计骑行产品通道的相关使用逻辑流程

除了视觉通道，确定触觉和听觉为用户的主要交互通道。触觉通道的典型行为方式有控制龙头、蹬脚踏、刹车等，在中间件（编码器，光电门等）接收到动作信息后系统进行数据处理，反馈包括速度、俯仰、侧倾、阻力、颠簸等体感给用户，这些体感由伺服电动缸、磁粉控制器和气弹簧实现。除此之外，触觉的行为方式上由于有游戏交互需求，需在车把上增加“发射炮弹”按钮，听觉通道直接由音响提供。骑行过程中，用户的感知通道和效应通道同时工作，不断与产品进行信息交换，信息在系统中循环并形成互补，这时用户在虚拟环境中的骑行体验也更接近自然。

3.4 对产品进行具体工业设计

首先对室内健身自行车的外部形态进行构思，提出多个概念性方案，再根据机械传动方式、技术工艺、材料等确定产品的内部结构，然后根据内部结构对多个概念方案考量，确定后进一步设计外部形态，包括整体的造型、人机尺寸和色彩等。经过方案的不断迭代推敲，最后确定最佳方案，如图1。

3.5 可行性评测

多通道室内健身自行车的设计部分完成，为了评测其效应，笔者首先在建模软件进行了运动模拟，结构设计上能够顺利完成俯仰、侧倾、阻力、颠簸等功能。接下来，参照结构设计加工装配了一款原型，如图2。经过对VR骑行游戏的虚拟环境的调试，進行了实践测试，自行车能正常使用，并达到预期目标，晕眩感与普通健身车相比有所减少，但依然存在，这是虚拟现实体验目前不可避免的问题。

本案例从产品设计层面上立足于多效应对虚拟环境下多通道人机交互做一个说明，也诠释了本文对基于多通道虚拟现实人机交互系统中的设计流程研究。这种设计流程提高设计师产品设计效率和质量，各个交互流程得到合理的调节和整合，提升了产品的用户交互效率和体验。

4 结束语

多通道虚拟现实人机交互系统合理结合了多通道交互和虚拟现实特点，将用户体验带到一个新维度。基于对此系统中的产品设计流程研究，有效节约了时间、空间以及设计资源，提高设计效率和质量，同时实现了人、产品、虚拟环境之间交互的自然性、高效性、兼容性。在这个系统中，虚拟现实部分带来的晕眩现在技术上还未解决，作为产品设计师，怎样从产品设计和交互设计角度尽量减轻晕眩感是接下来需要研究的课题。

参考文献：

[1]张超，赵江洪.汽车导航多通道交互设计[J].包装工程，2015（22）：67-70.

[2]俸文.多通道人机交互技术的研究[D].南京理工大学，2004.

[3]Laurence M. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering[J].Journal of Bone & Joint Surgery， 1995，13（4）：1-1.

[4]高欣，孙汉旭，贾庆轩，等.自行车仿真健身器的设计与实现[J].系统仿真学报，2005，17（5）：1163-1167.

[5]田远霞.增强现实下多通道交互模型研究与实现[D].浙江大学，2015.

[6]周明.多通道人机交互系统在产品设计中的整合应用研究[C].2007国际工业设计研讨会暨全国工业设计学术年会，2007.