曾人杰 章立

關鍵詞：VR;手部動作識別;自然交互

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2021）21-0-03

0 引言

在新媒體技術高速發(fā)展的今天，相應的硬件技術水平也在不斷提升，VR在這一大背景下逐漸民用化、普及化。作為一種新興的信息呈現(xiàn)載體，VR能夠在視聽方面帶來極強的交互體驗感，使用戶在感官上獲得真實的體驗。隨著VR設備的更新，它們的交互手段也正朝自然交互的方向邁進，用戶可通過自身的手部動作與虛擬場景進行交互，仿佛置身于“第二世界”中。

因此傳統(tǒng)的設計法則不能照搬到這種具備三維特性的交互終端中，設計師應當尋求符合具體情況的設計方法增強用戶與虛擬環(huán)境之間的聯(lián)系，使用戶在虛擬環(huán)境中獲得沉浸、自然的交互體驗。

1 自然交互的定義與特點

1.1 自然交互的定義

在人機交互的發(fā)展過程中，如何使人機之間的溝通變得更加便捷有效是設計師們一直以來的研究方向。隨著研究內(nèi)容的日漸豐富與成熟，“愉悅”與“自然”的要求被提出，自然交互的概念便由此形成。在自然交互的過程中，用戶的交互行為是下意識的、本能的，是不需要學習或簡單學習即可掌握的交互方式[1]。它能顯著降低用戶的認知負荷與學習成本，使交互過程變得高效而又具備良好的體驗感。

1.2 自然交互的特點

與傳統(tǒng)的交互方式所需的學習成本相比，自然交互所需的學習成本更低。它貼近用戶的日常生活，緊密結(jié)合用戶本身的自然屬性，以一種自然而然的方式指導用戶完成交互行為，與基于平面、屏幕等介質(zhì)的交互行為相比，自然交互具備以下三方面的特點。

1.2.1 交互方式自然化

由于自然交互的行為更加貼近用戶日常生活習慣，其在交互介質(zhì)的種類上會更加自然，它呈現(xiàn)出一種由機器到人體的發(fā)展趨向，但這并不是對介質(zhì)屬性的強制規(guī)定，而是對介質(zhì)整體發(fā)展趨勢的說明。以自然介質(zhì)為主，輔助設備等機器介質(zhì)為輔，自然交互的最終目的并不是“去機器化”，而是兩者的自然統(tǒng)一。

1.2.2 學習成本輕量化

用戶在進行交互行為前需要掌握交互方法，而自然交互所需要的學習成本在理論上趨近于無。這是因為用戶在自然交互過程中進行的學習實際上在日常生活中便已完成。

1.2.3 交互體驗沉浸化

自然交互體驗緊密結(jié)合了真實感受，這與自然交互過程中充分利用用戶的自然屬性分不開。用戶在對象給予的反饋中，能夠獲得如同生活場景般的體驗[2]，這是交互行為的日?；?、交互手段的便利化、交互反饋的及時化等因素帶來的綜合結(jié)果，能夠極大地增強用戶在交互體驗過程中的沉浸感。

2 VR中自然交互媒介與技術特征

2.1 VR中常用交互媒介

VR的相關概念早在20世紀30年代的短篇科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡》中便被提出。隨后50年，第一個VR原型機與以計算機圖形所驅(qū)動的VR設備相繼出現(xiàn)，為VR設備的運作形式定下了基調(diào)。而如今VR技術的發(fā)展已相當成熟，VR設備對于用戶而言是一種可交互的新媒體設備，相應的交互媒介也得到了發(fā)展。

早期VR設備價格昂貴，但隨著軟件與硬件的不斷迭代，其平價化、民用化的基礎已然具備。2012年，Oculus Rift這一VR設備驚艷亮相，為民用的消費級VR設備大規(guī)模涌入市場打開了大門。此后，VR技術的發(fā)展浪潮不斷襲來，在經(jīng)歷了市場優(yōu)勝劣汰后，VR設備的交互媒介走向了多樣化的時代。

目前在商業(yè)運用上較為成熟的VR交互設備有HTC VIVE、Oculus等。它們常用的交互媒介有VR體感手柄、觸摸板與按鍵[3]。

第一，VR體感手柄?；赩R設備在交互上的特殊性，其許多交互行為須利用體感手柄操控，不同品牌廠商所生產(chǎn)的設備在外觀上會有些許區(qū)別，但基本上都是集成了各類感觸元件的定制型交互媒介。

第二，觸摸板及按鍵。這是一種一體式的簡化版本VR設備所使用的交互媒介，通過V設備鏡上的按鍵、觸控板與頭控光標來完成交互操作，這也是當前智能設備最常用的方式。

2.2 VR中自然交互媒介

目前，VR技術已能在視聽上實現(xiàn)虛擬世界的構建，但在信息輸入方式上仍需通過控制器執(zhí)行，這使交互的層級上嵌套了一次額外進程，無疑讓交互過程變得煩瑣，從而使用戶產(chǎn)生阻塞感。因此尋求一種更加自然有效的交互方法便成了當前VR體驗研究的前進方向，而使用雙手進行交互無疑符合這一要求。

當今市面上不少VR設備在頭顯上安裝了雙目攝像頭，它們能夠捕捉手部動作的深度信息，利用雙目立體視覺成像的方法，建立手部的立體模型，以此識別手部動作。自此，手部動作識別作為一種自然形式的交互媒介，加入了VR的大家庭。

對于用戶來說，這種附帶自然屬性的交互媒介學習成本低、使用場景靈活且符合交互直覺，與目前市場上常用的交互媒介相比，手部動作識別交互所需的層級少，用戶體驗最自然，愉悅度高。

2.3 VR技術特征的自然交互屬性

1957年，VR原型機Sensorma以一種街機的形態(tài)出現(xiàn)，它利用特殊座椅結(jié)合氣味與聲音等元素創(chuàng)造沉浸感，而1968年“達摩克利斯之劍”則能與虛擬對象互動，VR的技術特征在此初見端倪。在1993年的世界電子年會上，美國科學家Burdea G.和Philippe Coiffet共同發(fā)表了《虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)及其應用》，這一文章對VR技術特性作出了總結(jié)，即交互性、沉浸感和構想性[4]，三者互相影響且互相依賴，并具備相應的自然交互屬性。

2.3.1 交互性

與其他可交互終端相比，VR在交互性上具備天然的優(yōu)勢，它能夠通過傳感器獲得用戶的相關信息，這使VR能夠捕捉用戶的訴求并響應用戶的行為，最終在知覺上順應用戶生活經(jīng)驗。因此，VR的交互性特征天然攜帶了自然交互屬性。

2.3.2 沉浸感

VR的沉浸感是其他終端無法比擬的。其頭顯內(nèi)置觀測口不僅放大了觀察范圍，還將圖像渲染得適配肉眼，從而產(chǎn)生立體縱深感，再結(jié)合陀螺儀與定位器確定用戶的頭部物理空間，兩者結(jié)合以營造出三維空間感。這使用戶能夠在自然交互流程中獲得極強的沉浸式體驗，也使設計師們能夠?qū)⒕性诮换シ椒ǖ脑O計上，從而進一步提升用戶的交互體驗[5]。

2.3.3 構想性

自書籍時代至互聯(lián)網(wǎng)時代，用戶獲取的信息幾乎都是二維的，以往的幻想體驗多是用戶憑借自身的想象力構造的，而VR卻能憑借自身特性營造出一個可探索溝通的虛擬環(huán)境，這為探索自然交互體驗的邊界提供了足夠的便利。

3 手部動作識別在VR中的應用及優(yōu)勢

3.1 手部動作自然交互中常用手勢及含義

日常生活中的手部動作除了具備物理性的生活行為功能，還具備信息表達的功能，如手語、戰(zhàn)術手勢。在日常生活中常用的單手動作有觸、抓、推、握、揮、捏、甩、滑，雙手動作有拱手、搓手、捧手、拍手、參拜。常用的正面含義的手勢有OK、點贊、劍指、比心、鼓掌，負面含義有倒彩、擺手、伸中指、伸小指、打叉。因為虛擬環(huán)境中手部動作導向的目的更多，與提示UI交互的動作也需要被考慮到，根據(jù)具體場景使用不同，可將動作分為UI型：點、滑、抓、摸、捏、握、揮、拍;虛擬物體交互型：觸、抓、推、參拜、雙手抓取、搓手、拱手。

3.2 VR中手部動作交互優(yōu)勢

在VR技術構建的虛擬環(huán)境中，用戶需要花費時間學習新的交互方法，而這段學習時間會降低沉浸感，這是“熟悉的場景”與“不熟悉的交互方式”的沖突造成的。而將手部動作交互融入VR中便能有效解決這個問題，即通過降低學習成本將虛擬環(huán)境中由交互方式不同所帶來的割裂感消除。

4 VR環(huán)境中手部動作自然交互設計策略

4.1 沉浸式的視覺環(huán)境設計

在VR中，適當?shù)囊曈X設計必不可少。設計師應當根據(jù)當前需求對美術資源進行統(tǒng)一管理。寫實級別場景需要高度擬真與還原的美術資源，在擺設與燈光上也應當做到貼近實物;而幻想、輕松、子供向的場景則可以采用Low Poly、三渲二風格的美術資源。無論何種需求，整體的視覺環(huán)境應當符合主題，統(tǒng)一而合理，才能營造出一種沉浸式的虛擬環(huán)境。

4.2 預見性的交互動作設計

前文提到，手部動作具備信息表達與交流功能，這在手部動作的自然交互中十分重要。在虛擬場景里，相應的動作預設計需要足夠細心[6-7]。設置好 “對虛擬物體”與“對系統(tǒng)及UI”動作，前者應貼近現(xiàn)實生活，自然而然，后者則需要一定的學習成本，本身具備一定含義的手勢最佳。如呼出菜單，這一行為可用“輕拍手兩次”定義，“輕拍手”本身便具有“呼叫”“吸引注意”“提示”等含義，將其定義在呼出菜單上是比較合適的。

4.3 簡明化的層級與展示設計

模擬場景中的交互層級應當明確而簡潔。明確每個可交互對象的功用，拋棄無用與繁雜的層級，用戶的交互反饋應當及時而醒目，形式應當多樣且適宜。由于VR手部動作捕捉需要在傳感器范圍內(nèi)才能實現(xiàn)，因此在虛擬體驗的過程中，應當鼓勵用戶將手伸向眼前，并將可交互物體與界面集中在頭部正前方，盡可能將相關操作以日常生活中的行為展現(xiàn)，兩者需要有相似之處，才能使用戶使用日常生活中的經(jīng)驗來代替學習成本，以獲得更加自然的沉浸式體驗。

4.4 面向用戶的適配設計

用戶初次進入虛擬環(huán)境時，需要進行多種學習活動來掌握當前場景的必要知識。在學習過程中，UI高度、音量大小、物體比例、視點高度均會影響用戶的體驗。因此，根據(jù)用戶個體差異進行配置適應，是在用戶正式體驗虛擬場景前必不可少的流程，設計流程如下。

第一，音量調(diào)整：使用語音指示用戶調(diào)整當前音量，獲取用戶最舒適的音量大小。

第二，身高獲?。涸O置140～165 cm、166～175 cm、176～190 cm三種高度的門洞，語音提示用戶選擇適配門洞。

第三，視點獲?。焊鶕?jù)當前進入的門洞級別設置偏高、適中、偏低三種高度的視點，提示用戶選擇感覺最習慣的一項。

第四，利手獲?。航Y(jié)合視點設置簡單的物體抓取任務，獲取當前用戶的慣用手，并據(jù)此設置后續(xù)提示UI的偏向。

4.5 反饋機制設計

大部分用戶很可能是只有過幾次VR體驗的新手，因此相應的提示與反饋措施便顯得格外重要。

第一，位移提示。用戶意識不到自身能夠在特定范圍內(nèi)行走，當遇到超過自身臂展的交互對象時，會陷入迷茫，并嘗試彎腰/側(cè)身以觸碰對象。這需要在前期預置的教學內(nèi)容中進行相關培訓，鼓勵用戶位移并在正式體驗關卡中增加相應提示，可大大減少此類情況發(fā)生。

第二，檢視提示。用戶在體驗流程中，偶爾會出現(xiàn)對當前對象有交互需求，但設備未顯示雙手而導致進程卡頓的情形。這多是因為用戶雙手脫離了設備的識別范圍，而此時用戶沒有自我檢視雙手是否處于設備識別范圍的意識。在這種情況下，應當盡量避免導致用戶雙手脫離識別范圍的設計，如不可避免，則需要設計檢測機制，實時提示用戶進行自檢。

5 結(jié)語

VR技術的發(fā)展使相關設備的價格正朝越來越實惠的方向發(fā)展，與個人手機相似，VR設備終將在用戶中普及。而VR現(xiàn)有的交互形式中，手部動作交互最符合用戶的自然交互特征，是VR交互媒介發(fā)展的方向，因此找到更加理想的基于手部動作的交互方法便成了當前的首要任務?；诖?，文章提出了手部動作自然交互體驗的設計策略，探討在VR環(huán)境中提升用戶手部動作交互體驗的方法，為相關從業(yè)人員提供一套參考。

參考文獻：

[1] 申婧，陳亮，秦志南，等.基于用戶群習慣形態(tài)的自然交互設計研究[J]. 包裝工程，2017，38（20）：211-215.

[2] 張佳寶，肖東娟.基于自然交互的樂齡游戲設計策略研究[J].包裝與設計，2021（3）：138-139.

[3] 孫朝陽，許懋琦.移動VR自然交互界面設計探究[J].設計，2017（23）：140-141.

[4] 龍彬，王峰.基于“轉(zhuǎn)移”概念的VR交互策略研究[J].包裝工程，2020，41（8）：198-202，212.

[5] 葉風. VR全景交互媒介特性與內(nèi)容設計方法[J].科技導報，2018，36（9）：61-65.

[6] 婁澤華，殷繼彬.人機交互中的手勢設計原則分析[J].軟件導刊，2018，17（4）：19-24，35.

[7] 楊文超，吳亞東，趙思蕊，等.三維環(huán)境手勢自然交互范式研究[J].西南科技大學學報，2016，31（1）：81-87.

作者簡介：曾人杰（1997—），男，湖南常德人，碩士在讀，研究方向：數(shù)字媒體藝術。

章立（1971—），男，江蘇無錫人，碩士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：數(shù)字媒體藝術。