馬惠寶

摘 要：隨著計算機(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)境本身特點以及其在計算機(jī)方面的特征為出發(fā)點，對虛擬環(huán)境內(nèi)人機(jī)交互的技術(shù)問題進(jìn)行重要分析，并給出針對性意見。

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方式重要標(biāo)準(zhǔn)之一，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)則完美的符合了大眾的需求。在這種社會需求下，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)實系統(tǒng)

1）虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)定義。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）示意計算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成對一定范圍真實環(huán)境在視、聽、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)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響，可以產(chǎn)生親臨對應(yīng)真實環(huán)境的感受和體驗[ 1 ]。

2）虛擬現(xiàn)實的發(fā)展史。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是J.Lanier在1989年于美國VPL Research Inc公司提出的；之后，在1992年的SIGGRAPH大會上，Cruz-Neira用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了波音777，使用戶戴上頭盔時就能穿梭在這個模擬出來的飛機(jī)之中，觀察這個飛機(jī)的各項設(shè)計，這在當(dāng)時引起了科技界的矚目[ 2 ]。1996年，古斯皮·里瓦對虛擬環(huán)境定義為“一個由計算機(jī)生成的、可與主體產(chǎn)生互動的模擬空間”[ 3 ]。而VR技術(shù)不斷發(fā)展到今天，一家家體驗館已經(jīng)入雨后春筍般涌現(xiàn)出來，使得這項高科技系統(tǒng)越來越平民化、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)還沒流行起來時，曾經(jīng)有大批的體感游戲大量涌入市場，當(dāng)時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作。而對比體感游戲，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%左右來自視覺信號的感知，因此視覺也是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。

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，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)器能隨時感應(yīng)，從而在顯示器上投射當(dāng)前視角下的場景。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，眼睛疲勞等問題，這是由于用戶長時間只能看到計算機(jī)生成的三維場景所導(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，也就是AR系統(tǒng)。這類頭盔的特點是使用者能看到真正的現(xiàn)實情況的同時，計算機(jī)也會在顯示器上實時疊加多種信息，使虛擬幾何對象與真實環(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，使多個用戶能夠同時感受逼真的虛擬場景的顯示系統(tǒng)。投影式顯示器一般會用到三個以上且彼此相連的面，而投影式顯示器在這些面外利用計算機(jī)，融合器和多個投影儀來對這些面進(jìn)行同時投影。其中，對于面與面之間的無縫拼合，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顯示設(shè)備，這種是利用桌面，投影儀及計算機(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景內(nèi)的物品進(jìn)行力/觸覺的交互，所以就需要對應(yīng)的設(shè)備：

1）力反饋操縱桿。如同前文所說，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，那么操縱桿就會模仿棒球的反震力，讓用戶感覺真的擊打到了球。2）觸覺數(shù)據(jù)手套。由于人類現(xiàn)實中的大部分交互作用都是用手來完成的，所以觸覺手套能夠很好地讓人進(jìn)行虛擬環(huán)境中觸覺交互。觸覺數(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程中的阻礙感。以充氣式觸覺手套為例，他會在用戶手部在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互時，利用計算機(jī)的引導(dǎo)，對具體交互部位進(jìn)行充氣和放氣，是用戶的手能夠感受到具體的壓迫感；而振動式觸覺手套則通過手套內(nèi)部的振動裝置刺激皮膚神經(jīng)，以達(dá)到產(chǎn)生觸覺反饋的目的。

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，用戶身上會被放置信號發(fā)射源，通過信號的鏈接反饋來確定用戶的位置；另一種是無源跟蹤定位，主要原理是絕對位置測量的機(jī)電式的跟蹤方式，特點是精度高、穩(wěn)定性好、延時小以及干擾較少。

2）行走交互的方式及其設(shè)備。理想的VR可以在用戶現(xiàn)實中行走時虛擬空間中也跟著移動，那么就需要行走交互，而行走交互的方式主要分為三點：一是踏板式行走交互，主要原理就是用戶在自行車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，而且延時較大；第三種方式就是傳動平臺式行走交互，用戶在使用滾輪的傳動平臺上行走，通過踩踏滾輪的壓力來確定用戶在虛擬環(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)價值。而作為其中最主要的交互系統(tǒng)，現(xiàn)階段的開發(fā)也有待改進(jìn)和完善。本文對虛擬空間人機(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)實綜述[J].中國科學(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)境中基于問題情境的認(rèn)知活動與學(xué)習(xí)交互[J].開放教育研究，2012，（04）：36-43.