虛擬環(huán)境人機(jī)交互技術(shù)的分析

馬惠寶

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬環(huán)境以及它的表現(xiàn)形式得到了極大的豐富。在越來(lái)越細(xì)膩、逼真的虛擬環(huán)境中，人們的精神世界也得到了富足。本文以虛擬環(huán)境本身特點(diǎn)以及其在計(jì)算機(jī)方面的特征為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)虛擬環(huán)境內(nèi)人機(jī)交互的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行重要分析，并給出針對(duì)性意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：虛擬環(huán)境；人機(jī)交互；技術(shù)分析

在現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的情況下，豐富的物質(zhì)生活往往已經(jīng)滿足不了人們的需求，一部分人則開(kāi)始追求精神世界的享受。而隨著人們生活節(jié)奏的日益加快，方便、快捷、新奇也是人們選擇娛樂(lè)方式重要標(biāo)準(zhǔn)之一，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)則完美的符合了大眾的需求。在這種社會(huì)需求下，虛擬環(huán)境人機(jī)交互技術(shù)的深入研究就顯得越發(fā)重要。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

1）虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)定義。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）示意計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成對(duì)一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)[ 1 ]。

2）虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展史。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是J.Lanier在1989年于美國(guó)VPL Research Inc公司提出的；之后，在1992年的SIGGRAPH大會(huì)上，Cruz-Neira用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了波音777，使用戶戴上頭盔時(shí)就能穿梭在這個(gè)模擬出來(lái)的飛機(jī)之中，觀察這個(gè)飛機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)，這在當(dāng)時(shí)引起了科技界的矚目[ 2 ]。1996年，古斯皮·里瓦對(duì)虛擬環(huán)境定義為“一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的、可與主體產(chǎn)生互動(dòng)的模擬空間”[ 3 ]。而VR技術(shù)不斷發(fā)展到今天，一家家體驗(yàn)館已經(jīng)入雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，使得這項(xiàng)高科技系統(tǒng)越來(lái)越平民化、普及化。

2 虛擬環(huán)境人機(jī)交互的方式及其設(shè)備

在虛擬環(huán)境中，人們除了有身臨其境的感知力外，最重要的，就是能與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互。在幾年前，VR系統(tǒng)還沒(méi)流行起來(lái)時(shí)，曾經(jīng)有大批的體感游戲大量涌入市場(chǎng)，當(dāng)時(shí)就是用戶手持著體感游戲的操縱桿與游戲中的人物進(jìn)行比賽，格斗等一系列的交互動(dòng)作。而對(duì)比體感游戲，VR系統(tǒng)更注重人與虛擬環(huán)境之間的感知傳遞。

2.1 虛擬環(huán)境的顯示機(jī)及其設(shè)備

根據(jù)研究結(jié)果表明，大多數(shù)人類獲取信息的方式有80%左右來(lái)自視覺(jué)信號(hào)的感知，因此視覺(jué)也是VR系統(tǒng)帶領(lǐng)用戶走進(jìn)虛擬環(huán)境中最為重要的一項(xiàng)。

1）頭盔式虛擬環(huán)境顯示設(shè)備。頭盔式的顯示方式是VR系統(tǒng)中最為常見(jiàn)，也是人們最為了解的顯示方式。頭盔顯示系統(tǒng)，即HMD，分為兩類，一類是非透視型頭盔，它是將兩個(gè)顯示器安裝于頭盔中接近眼部的地方，頭的方向及位置能被頭盔內(nèi)部的感應(yīng)器能隨時(shí)感應(yīng)，從而在顯示器上投射當(dāng)前視角下的場(chǎng)景。這種頭盔給用戶的沉浸感極強(qiáng)，但往往容易造成使用者頭暈，眼睛疲勞等問(wèn)題，這是由于用戶長(zhǎng)時(shí)間只能看到計(jì)算機(jī)生成的三維場(chǎng)景所導(dǎo)致的。另一類就是透視型頭盔，這類頭盔的主要作用是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，也就是AR系統(tǒng)。這類頭盔的特點(diǎn)是使用者能看到真正的現(xiàn)實(shí)情況的同時(shí)，計(jì)算機(jī)也會(huì)在顯示器上實(shí)時(shí)疊加多種信息，使虛擬幾何對(duì)象與真實(shí)環(huán)境增強(qiáng)性的融為一體。2）投影式虛擬環(huán)境顯示設(shè)備。投影式顯示系統(tǒng)一般是利用墻面進(jìn)行投影，使多個(gè)用戶能夠同時(shí)感受逼真的虛擬場(chǎng)景的顯示系統(tǒng)。投影式顯示器一般會(huì)用到三個(gè)以上且彼此相連的面，而投影式顯示器在這些面外利用計(jì)算機(jī)，融合器和多個(gè)投影儀來(lái)對(duì)這些面進(jìn)行同時(shí)投影。其中，對(duì)于面與面之間的無(wú)縫拼合，融合器起到了極大的作用。3）其他顯示設(shè)備。在虛擬環(huán)境顯示設(shè)備中，還有其他幾類顯示設(shè)備的應(yīng)用，比如被應(yīng)用在工作中的桌面時(shí)顯示設(shè)備，這種是利用桌面，投影儀及計(jì)算機(jī)所組成的；還有手持式顯示設(shè)備以及自由立體顯示設(shè)備等……

2.2 力/觸覺(jué)交互方式及其設(shè)備

在現(xiàn)有的VR應(yīng)用中，很多都需要用戶與虛擬場(chǎng)景內(nèi)的物品進(jìn)行力/觸覺(jué)的交互，所以就需要對(duì)應(yīng)的設(shè)備：

1）力反饋操縱桿。如同前文所說(shuō)，在幾年前的體感游戲中，力反饋操縱桿已經(jīng)得到了良好的應(yīng)用，它是根據(jù)用戶的行為不同，在操縱桿頂端產(chǎn)生反作用力的效果，使用戶在虛擬環(huán)境中真夠真實(shí)感受到用力的反饋。例如，用戶在虛擬環(huán)境中用棒球桿將球擊出，那么操縱桿就會(huì)模仿棒球的反震力，讓用戶感覺(jué)真的擊打到了球。2）觸覺(jué)數(shù)據(jù)手套。由于人類現(xiàn)實(shí)中的大部分交互作用都是用手來(lái)完成的，所以觸覺(jué)手套能夠很好地讓人進(jìn)行虛擬環(huán)境中觸覺(jué)交互。觸覺(jué)數(shù)據(jù)手套大多使用較為輕薄的材質(zhì)進(jìn)行制作，一方面方便在上面安裝光纖導(dǎo)體作為傳感器，另一方面也能減少手在交互過(guò)程中的阻礙感。以充氣式觸覺(jué)手套為例，他會(huì)在用戶手部在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互時(shí)，利用計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)，對(duì)具體交互部位進(jìn)行充氣和放氣，是用戶的手能夠感受到具體的壓迫感；而振動(dòng)式觸覺(jué)手套則通過(guò)手套內(nèi)部的振動(dòng)裝置刺激皮膚神經(jīng)，以達(dá)到產(chǎn)生觸覺(jué)反饋的目的。

2.3 其他類型的交互設(shè)備

1）跟蹤定位的方式及其設(shè)備。跟蹤定位是幫助顯示器，力/觸覺(jué)交互設(shè)備更好的完成虛擬環(huán)境交互的方式。其主要分為兩種，一是有源跟蹤定位，顧名思義，用戶身上會(huì)被放置信號(hào)發(fā)射源，通過(guò)信號(hào)的鏈接反饋來(lái)確定用戶的位置；另一種是無(wú)源跟蹤定位，主要原理是絕對(duì)位置測(cè)量的機(jī)電式的跟蹤方式，特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、延時(shí)小以及干擾較少。

2）行走交互的方式及其設(shè)備。理想的VR可以在用戶現(xiàn)實(shí)中行走時(shí)虛擬空間中也跟著移動(dòng)，那么就需要行走交互，而行走交互的方式主要分為三點(diǎn)：一是踏板式行走交互，主要原理就是用戶在自行車(chē)模擬器踏板上輪換踩踏，利用力傳感器進(jìn)行在虛擬環(huán)境中的行走；二是地面行走式交互，這種方法不需要踩踏，可以直接利用傳感器來(lái)確定用戶在虛擬環(huán)境中所處的位置，但是現(xiàn)在這種方法的精度不高，而且延時(shí)較大；第三種方式就是傳動(dòng)平臺(tái)式行走交互，用戶在使用滾輪的傳動(dòng)平臺(tái)上行走，通過(guò)踩踏滾輪的壓力來(lái)確定用戶在虛擬環(huán)境中位置，這種方法的精確度較好，交互方式自然，但噪音較大，穩(wěn)定性也有待改進(jìn)。

3 結(jié)論

綜上所述，雖然虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)很早就已經(jīng)提出，但在現(xiàn)在仍然算是新興產(chǎn)業(yè)，有很大的研發(fā)空間及商業(yè)價(jià)值。而作為其中最主要的交互系統(tǒng)，現(xiàn)階段的開(kāi)發(fā)也有待改進(jìn)和完善。本文對(duì)虛擬空間人機(jī)交互技術(shù)做了一些探討，希望能在這方面提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙沁平.虛擬現(xiàn)實(shí)綜述[J].中國(guó)科學(xué)（F輯：信息科學(xué)），2009，（01）：2-46.

[2] 程成.虛擬環(huán)境人機(jī)交互技術(shù)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院（軟件研究所），2002.

[3] 陶侃.虛擬環(huán)境中基于問(wèn)題情境的認(rèn)知活動(dòng)與學(xué)習(xí)交互[J].開(kāi)放教育研究，2012，（04）：36-43.