郭瑩潔

（山西金融職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)系 山西 太原 030008）

1 研究背景

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的英文全稱為：Virtual Reality。其研究方向Wie計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在人機(jī)接口中多媒體技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的結(jié)合。也可以將VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)視為多種技術(shù)的交叉集合，是目前在人類感知系統(tǒng)中能夠提供最佳體驗(yàn)效果的前沿技術(shù)。VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可以模擬三維空間的諸多元素，諸如自然技能、感知系統(tǒng)、環(huán)境信息、傳感效果等。而模擬環(huán)境由計(jì)算機(jī)設(shè)備生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維數(shù)據(jù)信息，通過(guò)輸出設(shè)備與感應(yīng)設(shè)備連接，將極為逼真的視覺(jué)效果傳達(dá)至用戶，進(jìn)而產(chǎn)生了極強(qiáng)的視覺(jué)感知效果。除視覺(jué)感知效果之外，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠通過(guò)力覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)等感知維度構(gòu)建近似于真實(shí)環(huán)境的體育效果，甚至能夠在味覺(jué)或嗅覺(jué)的體驗(yàn)中加強(qiáng)這樣的體驗(yàn)強(qiáng)度。此外，在自然技能方面的技術(shù)革新，將用戶的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、視角轉(zhuǎn)化、手勢(shì)變遷、乃至人體細(xì)微動(dòng)作引入了統(tǒng)一的三維立體虛擬空間之內(nèi)，因此能夠從多種角度處理用戶感知數(shù)據(jù)，建立從輸入信息到輸出信息的實(shí)時(shí)響應(yīng)反饋機(jī)制。進(jìn)而達(dá)到從五官感知?jiǎng)?chuàng)建體驗(yàn)效果的深層沉浸效果，達(dá)到由傳感設(shè)備建立的三維交互體驗(yàn)輸出。

1.2 人機(jī)交互機(jī)制內(nèi)涵

HCI人機(jī)交互的英文全稱為：Human-Computer Interaction。從狹義角度分析，人機(jī)交互機(jī)制是計(jì)算機(jī)與人的任務(wù)達(dá)成機(jī)制。操作者在終端設(shè)備輸入任務(wù)類型，并設(shè)定執(zhí)行程序，便可以在輸出設(shè)備中呈現(xiàn)出預(yù)期的計(jì)算結(jié)果。此時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)備與用戶的信息交換被稱之為人機(jī)交互。從廣義角度分析，人機(jī)交互是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中逐步傾向于人類感知系統(tǒng)的功能性與易用性升級(jí)。在現(xiàn)代科技逐步演化的過(guò)程中，人機(jī)交互更加傾向于由計(jì)算機(jī)主動(dòng)解決、生成、演化、計(jì)算出人類需求的預(yù)期數(shù)據(jù)信息。因此，在HCI人機(jī)交互的研究領(lǐng)域中，主要研究當(dāng)使用者存在感知差異時(shí)，如何提升其使用效果。諸如當(dāng)文化背景、操作習(xí)慣、應(yīng)用規(guī)律完全不同的時(shí)候，如何提高終端界面輸出信息的理解效果。在以往時(shí)期通過(guò)單純的視頻輸出端口很難達(dá)到真正的人機(jī)交互體驗(yàn)真實(shí)度，而在VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展之后，來(lái)自不同感官體驗(yàn)的信息結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)的人類感知的人機(jī)交互程度。因此，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在很大程度上完善了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互時(shí)效性，并將實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)和三維立體感知帶入人機(jī)交互環(huán)境，創(chuàng)設(shè)了超越以往感知效果的信息交互條件與環(huán)境要素。

2 VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)特征

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠引導(dǎo)使用者在三維立體的虛擬空間中感受模擬環(huán)境的真實(shí)度。此時(shí)，使用者產(chǎn)生了極為其強(qiáng)烈的沉浸感，而這樣的沉浸感便是人機(jī)互動(dòng)機(jī)制的最終訴求。從人機(jī)交互的視角分析，VR虛擬技術(shù)具備了四項(xiàng)最為基本的特征，也正是這四項(xiàng)特征強(qiáng)化了使用者的沉浸感，分別為：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

人機(jī)交互本身是信息傳遞的雙向過(guò)程，此時(shí)人類能夠感知到的數(shù)據(jù)信息是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化。以往時(shí)期從0，1進(jìn)制到終端界面的視頻動(dòng)態(tài)信息輸出幾乎契合了人類感知系統(tǒng)的全面需求。但是在三維技術(shù)和傳感器技術(shù)相互融合之后，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠達(dá)到的體驗(yàn)感知拓展了更多的感官需求。其中包括了觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)、以及運(yùn)動(dòng)感知。在虛擬仿真的三維立體空間之內(nèi)，操作者借助VR設(shè)備能夠體驗(yàn)到虛擬空間的一切行為驅(qū)動(dòng)體驗(yàn)，從而體現(xiàn)出了VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的多重感知性。

2.2 存在感

以往時(shí)期終端視頻輸出界面所提供的感知效果僅能通過(guò)視覺(jué)體驗(yàn)加強(qiáng)輸出信息的真實(shí)度，但是無(wú)法還原現(xiàn)場(chǎng)信息或虛擬信息的多維感知體驗(yàn)。因此，其人機(jī)交互過(guò)程中的存在感并不強(qiáng)烈，無(wú)法真正激發(fā)使用者對(duì)于虛擬空間的想象。但是VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)三維場(chǎng)景的創(chuàng)建，將用戶視角帶入了虛擬空間之內(nèi)，并借助傳感器系統(tǒng)加強(qiáng)了多種感知維度，從而達(dá)到了促進(jìn)人類感知系統(tǒng)存在意識(shí)的交互機(jī)制。在此過(guò)程中，近似于真實(shí)環(huán)境的模擬信號(hào)和感知環(huán)境讓用戶很難區(qū)分或甄別虛擬世界的真實(shí)性。因此，用戶在人機(jī)交互機(jī)制中的自我存在感也產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，真正融入了虛擬環(huán)境的深度體驗(yàn)。

2.3 交互性

傳統(tǒng)意義的交互性特指人機(jī)交互的信息交換頻次，當(dāng)交互速度和交換頻次較高時(shí)，證明交互性較強(qiáng)。而VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將交互性的特征發(fā)揮到了極致，用戶對(duì)仿真模擬的三維環(huán)境更加青睞，尤其虛擬環(huán)境內(nèi)的物體具備了數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化機(jī)制，可以進(jìn)行多次可操作，那么虛擬物體的移動(dòng)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)等諸多反饋信息必然增強(qiáng)了最終的體驗(yàn)程度，從而達(dá)到接近于真實(shí)情景的自然效果。因此，在VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中所提供的反饋信息更加契合了人機(jī)交互模式的數(shù)據(jù)信息獲取能力，能夠完善和優(yōu)化其技術(shù)本身的交互性特征。

2.4 自主性

以往時(shí)期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)交互模式是建立在輸出輸入設(shè)備的信息轉(zhuǎn)化機(jī)制中，而在VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中，虛擬環(huán)境為操作者創(chuàng)造了更為簡(jiǎn)易的驅(qū)動(dòng)規(guī)律。這種驅(qū)動(dòng)規(guī)律更加具備自主性，即虛擬環(huán)境中的物體可以依據(jù)現(xiàn)實(shí)世界中的物理運(yùn)動(dòng)定律而產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作范式。那么在設(shè)計(jì)虛擬空間時(shí)，最終模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的基本信息可以完成更為深層次的信息互換，從而達(dá)到人機(jī)交互的最佳運(yùn)行效果。

3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的人機(jī)交互運(yùn)行機(jī)制技術(shù)實(shí)踐路徑

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠達(dá)到較強(qiáng)的人機(jī)交互效果，需要通過(guò)多種技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。本研究將人類感知的信息維度作為分析其技術(shù)類型的主要路徑，從而進(jìn)一步分析多種技術(shù)特征的實(shí)踐方式。從近些年來(lái)VR技術(shù)到AR技術(shù)的升級(jí)與應(yīng)用效果來(lái)看，能夠達(dá)到增強(qiáng)人機(jī)交互效果的主要技術(shù)類型包括：三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)，用戶（頭/眼/手)跟蹤技術(shù)，觸覺(jué)/力覺(jué)反饋技術(shù)、立體聲聽(tīng)覺(jué)效果信息交互技術(shù)、以及語(yǔ)音輸入輸出技術(shù)等?，F(xiàn)做如下分析：

3.1 三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)

三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)是增強(qiáng)人機(jī)交互信息傳遞速率的關(guān)鍵技術(shù)之一。相比較而言，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成復(fù)雜圖像信息或三維立體信息并不難。但是如果無(wú)法達(dá)到足夠的精準(zhǔn)度，用戶在虛擬空間中的行為定位卻會(huì)發(fā)生較大偏差。此時(shí)精準(zhǔn)圖像對(duì)于虛擬物體的三維視角設(shè)計(jì)是增強(qiáng)體驗(yàn)效果與沉浸感的重要方式。簡(jiǎn)而言之，三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)需要完成在不同光照角度下物體所發(fā)生的視覺(jué)轉(zhuǎn)化。例如在飛行模擬器的人機(jī)交互中，圖像信息必須隨空間移動(dòng)頻次實(shí)時(shí)刷新，并在圖像質(zhì)量較高的輸出信號(hào)中得到模擬復(fù)雜環(huán)境的輸出質(zhì)量。此時(shí)三維模擬技術(shù)則需要全面考量用戶體驗(yàn)度才能夠達(dá)到預(yù)期的人機(jī)交互模式，以便增強(qiáng)用戶感知。

3.2 廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)

用戶能夠接受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所提供的視覺(jué)信息相對(duì)有限，在IMAX技術(shù)出現(xiàn)之前，圖像信息在終端界面所呈現(xiàn)出的視角僅為雙眼焦距的適應(yīng)范圍，其虛擬物體的距離與大小較為適中。此時(shí)，人機(jī)交互信息始終處于距離信息對(duì)于實(shí)體景物的模擬信號(hào)單元，且在此過(guò)程中并無(wú)法直接加強(qiáng)視覺(jué)感知。但是VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將推進(jìn)了雙目立體視覺(jué)效果的感知性，為人機(jī)交互模式創(chuàng)造了有利環(huán)境。用戶雙眼可以在VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所創(chuàng)建的虛擬空間內(nèi)觀察，而傳統(tǒng)顯示設(shè)備卻無(wú)法達(dá)到這樣的交互效果。此時(shí)，用戶借助VR顯示設(shè)備可以在一只眼睛中感受到奇數(shù)幀圖像，而另一側(cè)研究可以觀察到偶數(shù)幀圖像，奇、偶幀的迭代演化與信息疊加產(chǎn)生了基于視差效應(yīng)的立體感知。同時(shí)在頭/眼跟蹤器中，對(duì)于虛擬空間的感知可以隨視角變動(dòng)發(fā)生同位轉(zhuǎn)化，因此物體坐標(biāo)系也會(huì)同時(shí)發(fā)生姿態(tài)或位置的遷移。那么用戶所觀察到的景象也如同現(xiàn)實(shí)世界中的位置變化，更加契合了虛擬體驗(yàn)效果的人機(jī)交互模式，增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)觀察的視覺(jué)廣度與環(huán)境認(rèn)知。尤其不同于鼠標(biāo)鍵盤等輸入設(shè)備，三維空間本身存在六個(gè)自由度，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套完成人機(jī)數(shù)據(jù)信息交互，通過(guò)SpaceBall空間球或3Space數(shù)字化儀完成信息輸入，進(jìn)而映射出任意運(yùn)動(dòng)規(guī)律，支持人機(jī)交互數(shù)據(jù)信息的三維空間時(shí)效性。

3.3 立體聲聽(tīng)覺(jué)效果與感知反饋信息

立體聲效是增強(qiáng)人機(jī)交互效果的必要基礎(chǔ)條件，但是以往時(shí)期立體聲效并不能通過(guò)單一的音頻輸出設(shè)備達(dá)到三維立體的聲效感官需求。而VR技術(shù)則可以在左右耳之間進(jìn)行不同立體聲效的實(shí)時(shí)輸出，因此其聲音效果本身也具備了方向感的特質(zhì)。在現(xiàn)實(shí)世界中，來(lái)自不同方向的聲音效果其強(qiáng)弱與角度都會(huì)令人隨聽(tīng)覺(jué)傳遞角度自主偏離。人機(jī)交互技術(shù)的極致也是在虛擬環(huán)境小模擬這樣的立體聲聽(tīng)覺(jué)效果。但目前VR系統(tǒng)中能夠達(dá)到的聽(tīng)覺(jué)感知并不存在方位判斷的位移效應(yīng)，這一點(diǎn)也是VR技術(shù)需要不斷完善和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外，在VR虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，用戶能夠觀察到的虛擬物體不僅可以通過(guò)聲效或視覺(jué)效果來(lái)深刻感受，在觸覺(jué)方面的感知功能也是數(shù)據(jù)手套提供的重要輸出信息設(shè)備。用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套創(chuàng)建的模擬觸覺(jué)來(lái)感知虛擬事物的光滑度、震動(dòng)感等等，這樣的觸覺(jué)效果也是進(jìn)一步加強(qiáng)人機(jī)交互感知的重要方式。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠拓展來(lái)自三維立體虛擬空間的感官體驗(yàn)效果，其基于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感官維度的沉浸感能夠激發(fā)用戶的多感知性、存在感、交互性、以及主動(dòng)性。為了進(jìn)一步加強(qiáng)VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于人機(jī)交互模式的開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)三種路徑逐步完善。其一，可以借助三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)加強(qiáng)圖像數(shù)據(jù)信息的真實(shí)體驗(yàn)效果。其二，可以通過(guò)廣角（寬視野）立體顯示技術(shù)完善視覺(jué)成像時(shí)效性。其三，采用立體聲聽(tīng)覺(jué)效果與感知反饋信息技術(shù)補(bǔ)充多重感知效果。進(jìn)而達(dá)到由VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)人機(jī)交互效果的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

[1]陳春鐵.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互中的多特征手勢(shì)識(shí)別追蹤算法的研究[J].軟件工程，2017，20(12)：23-25.

[2]楊秀杰.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的三維虛擬樣板間設(shè)計(jì)研究[J].信息與電腦(理論版)，2017(21)：22-23+26.

[3]張力剛.淺析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代展示藝術(shù)中的應(yīng)用[J].黑龍江紡織，2017(02)：31-34.

[4]藺薛菲.虛擬現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景建模與人機(jī)交互應(yīng)用技術(shù)研究[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)(理論)，2017，2(04)：100-102.

[5]陳寶權(quán)，秦學(xué)英.混合現(xiàn)實(shí)中的虛實(shí)融合與人機(jī)智能交融[J].中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)，2016，46(12)：1737-1747.