于佳雯,潘偉杰,呂 健,付文娟

(貴州大學 現(xiàn)代制造技術教育部重點實驗室,貴陽 550025)

隨著計算機仿真技術的進步、頭戴式顯示器(headmounted display,HMD)的普及,虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)已成為當前研究的重點,被廣泛應用在外科、機艙安全程序安全培訓、先進制造系統(tǒng)、可用性評估等領域.用戶使用VR 系統(tǒng)時出現(xiàn)的視覺眩暈、物體認知誤差等問題也逐漸得到當前研究者的關注.

人在虛擬環(huán)境中的空間認知能力比在現(xiàn)實環(huán)境中弱,這阻礙其獲得良好的交互體驗.研究表明,人們在現(xiàn)實世界中的距離判斷是準確的,但是在VR 中尤其是HMD 界面中卻傾向于低估距離[1].有效的交互需要準確的空間認知,為解決虛擬環(huán)境中使用者距離認知低估問題,相關學者嘗試從交互任務[2]與非視覺刺激[3]兩個角度進行了實驗,并取得了較好的成果.空間環(huán)境提供的視覺線索已被證實對虛擬環(huán)境中的空間維度認知具有改善作用,這表明將任務環(huán)境設計特征用于改善距離認知具有可行性[4].通過調(diào)整視差和瞳孔間距[5]、像素化周邊幀[1]可改善虛擬環(huán)境中使用者的距離判斷.Knapp 等使用HMD 對比了視野受限和視野無限制兩種視野范圍,實驗結果顯示,參與者的視野是否受限并不能對被試的距離認知產(chǎn)生影響[6].Hornsey 等研究了單目視覺和雙目視覺下用戶的虛擬環(huán)境距離認知差異[7].Vienne 等研究了VR 系統(tǒng)中屏幕距離對感知深度的影響[8].Li 等的研究表明,人在VR 中的運動方式對其距離認知沒有顯著影響[9].多種交互方式及距離判斷方法已被運用到距離認知準確性的研究中[10].一些研究者采用不同顯示設備對比了人在VR、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實中距離認知的差異[11].近期有研究表明,人在虛擬環(huán)境中對于目標物體尺寸的認知也存在低估問題[12].

以上研究通過交互任務設計、任務環(huán)境布置等手段改善了VR 環(huán)境中的空間認知準確性,但均未考慮到指點光標類型與自我中心距離認知的關系,且未結合三維指點任務進行研究.本文從三維指點任務的角度出發(fā),通過分析被試的自我中心距離認知準確度及目標指點速度,研究指點光標類型、自我中心距離以及三維指點任務的設計準則.探討HMD 界面下指點光標、自我中心距離和三維指點任務設計對自我中心距離認知、目標指點速度的影響.

1 VR 中的自我中心距離認知

隨著VR 界面交互性的增強以及HMD的普及,用戶與界面的交互已經(jīng)由視覺發(fā)展到三維空間上的操控,因此,準確認知自我中心距離、選擇合適的指點光標、設計合理的三維指點任務尤為重要.

自我中心距離是指以觀察者自身位置為中心到外部某一物體之間的深度距離,人在虛擬環(huán)境中對自我中心距離的認知存在低估問題[13],如圖1所示,前人將此歸因于測量方法與技術[14]、圖形質(zhì)量低[15]等問題.且有研究證明,自我中心距離越長,距離認知準確度越低,距離低估越顯著[14].已有研究者將自我中心距離認知區(qū)域劃分為以人為中心的3 個圓形區(qū)域:個人空間(150 cm 以內(nèi)),動作空間(150 cm 至3 000 cm)和遠景空間(超過3 000 cm)[16].當前VR 應用程序多圍繞個人空間構建[17],因此本文研究的距離范圍為個人空間.自我中心距離認知通?？稍谌说念~、側、橫向3 個平面進行實驗,但由于額平面在虛擬環(huán)境中的應用更為重要[18],本研究主要針對額平面考察自我中心距離的認知.

圖1 人在VR 中的自我中心距離低估

VR 技術的發(fā)展豐富了用戶在虛擬環(huán)境中的交互方式,光標交互的廣泛運用為自我中心距離的研究提供了新的可能.光標交互是VR 應用程序中常用的交互手段,用戶通過控制鼠標、手柄、手寫筆等物理控件,在虛擬環(huán)境中操作光標并執(zhí)行特定任務.隨著VR 技術的發(fā)展,三維光標已逐漸替代傳統(tǒng)平面光標被運用到虛擬環(huán)境中的交互研究[19],例如有研究者將虛擬仿真手光標、虛擬偏移光標、虛擬射線光標等用于目標指點[20]、遠程拖動[21]實驗,并針對任務執(zhí)行準確率、目標指點速度的差異性進行了虛擬手光標和虛擬偏移光標的對比實驗[20].指點是圖形用戶界面中最基本的任務之一,用戶在與目標進行其他交互前必須先執(zhí)行目標指點[19].當前研究已驗證了三維光標在VR中的指點、拖動等操作性能,但將其用于自我中心距離認知并針對指點光標類型進行對比的研究較少.本研究將選取典型的指點光標進行對比實驗,驗證指點光標類型與自我中心距離認知的關系.

費茨定律作為一維及二維指點任務心理預測模型得到了廣泛認可,已有研究者將其運用到VR 中的指點定位、拖動操作任務[22]及按鍵布局[23]等方面.Fu 等[24]研究了VR 中多感官協(xié)同定位對費茨指點任務績效的影響.費茨定律指出目標大小、起點與目標間距離影響使用者進行目標指點所需時間,目標越大、起點與目標間距離越小,目標指點所需時間越短[25].Murata 等[26]將目標方位角引入費茨定律,并指出相較于一維和二維指點任務,三維指點任務的目標指點時間更容易受目標方位角的影響.已有研究結合費茨定律二維指點任務中的因素,研究了VR 中目標大小、起點與目標間距離對自我中心距離認知、目標指點速度的影響[27].本文基于Murata 等[26]對費茨定律的擴展研究,重點關注三維指點任務中目標方位角、目標大小對VR 中自我中心距離認知及目標指點速度的影響,并驗證該研究在VR 中對三維指點任務預測的有效性.

2 虛擬空間指點交互實驗

2.1 實驗假設

實驗將圍繞VR 中個人空間的自我中心距離認知、指點光標設計并結合費茨定律在三維指點任務中的拓展進行研究,通過設定自我中心距離、指點光標、目標大小與方位角4 種變量因素,探討自我中心距離認知準確度及目標指點速度的變化規(guī)律.

基于已有研究,本文提出6 點假設,如表1所示.

表1 實驗假設

2.2 實驗設計

2.2.1 實驗變量及取值

本研究共4 個變量因素:兩種虛擬三維指點光標、3 個自我中心距離、3 種目標大小及5 種目標方位角,如表2所示.

表2 變量因素及其各水平取值

(1)指點光標:Dang 將三維指點光標分為基于點的光標和基于線的光標[19],本實驗中基于點的光標采用虛擬手光標,基于線的光標采用虛擬指桿光標,如圖2所示.依據(jù)我國成年人人體主要尺寸標準[28],選取女性第五百分位的標準上臂長加前臂長并減去手柄部分誤差,將最終長度均分為3 份(10 cm、20 cm、30 cm)作為不同自我中心距離條件下的虛擬指桿長度.虛擬手光標則調(diào)整至最還原現(xiàn)實中被試的手掌大小及位置.

圖2 兩種指點光標示意圖

(2)自我中心距離:本實驗主要研究個人空間中的自我中心距離認知,即以被試為圓心半徑為150 cm的圓形區(qū)域[16].以被試所在位置為原點,將HMD 顯示位置至額平面150 cm 處均分為5 個距離,排除最近和最遠端距離,選取45 cm、80 cm、115 cm為主要研究距離,如圖3所示.

圖3 實驗目標目標所在自我中心距離及視角范圍

(3)目標大小及方位角:參考已有實驗范式,以直徑為7 cm、5 cm、3 cm的圓形為目標,并將目標方位角按照正弦值分為0、0.7、-0.7、1、-1 共5 個水平[26,27].目標排列方式如圖4所示.

圖4 目標大小及排列方式

2.2.2 評價指標

本研究中評價指標為目標指點的準確度及時間.

(1)目標指點準確度(accuracy,AC).本研究中主要評價指標為目標指點AC.已有研究表明[29],可將三維指點任務中目標指點位置視為被試認知的目標位置,因此目標指點AC可作為被試自我中心距離認知準確度的衡量標準.目標指點AC(如式(1)所示) 即認知值與實際值的接近程度,AC值越接近于1 代表自我中心距離認知越準確.此前已有Lin 等[27]采用式(1) 衡量自我中心距離的認知.

其中,De為被試認知到的自我中心距離,Da為實際自我中心距離.

(2)目標指點移動時間(movement time,MT).目標指點MT指被試將虛擬光標尖端從指定起點移動至虛擬目標所用時間.在三維指點任務中,目標指點MT越短,代表目標指點速度越快[26].

2.2.3 實驗設置與流程

實驗設計為2×3×3×5 (指點光標×自我中心距離×目標大小×目標方位角)的被試內(nèi)重復測量設計方案.將3 種大小的紅色虛擬目標按照設定的自我中心距離及角度投射至額平面,目標高度均依據(jù)被試肩高進行調(diào)整,如圖5所示.依據(jù)我國人機工程標準,人眼對紅色的色覺視野為45°[28],對應實驗中最小自我中心距離45 cm 處額平面寬度為37.2 cm,為保持目標間距離一致,所有目標最遠中心距均設定為37.2 cm,如圖3.

圖5 實驗任務示意圖

實驗按照指點光標(虛擬指桿光標、虛擬手光標)分為兩組,每組實驗都分為預實驗與正式實驗兩部分,正式實驗進行前被試需閱讀顯示器上的實驗須知、熟悉佩戴HMD、調(diào)整顯示器瞳距并通過預實驗練習實驗具體操作流程,隨后進行正式實驗.為將記憶效果及肌肉疲勞的影響最小化,將兩組實驗分為兩天進行,如圖6.

圖6 實驗流程

如圖5所示,每次僅在一個自我中心距離上隨機顯示一個目標.被試通過操控手柄控制光標,首先在起點處叩擊手柄扳機(起點與所有目標的中心在同一水平高度,且位于顯示器正下方),此時目標出現(xiàn)并開始計時,指點目標時再次叩擊手柄扳機,同時計時結束,當前試次完成.隨后光標歸位于起點,被試開始下一試次.

所有被試均采用兩種指點光標執(zhí)行指點任務:(1)虛擬指桿光標指點:被試以虛擬指桿尖端迅速指點當前顯示的目標,每個自我中心距離均對應不同長度的指桿.(2)虛擬手光標指點:被試通過虛擬手食指指尖指點出現(xiàn)的目標.

被試將虛擬指桿尖端或虛擬手指尖移動至目標位置并扣下手柄上的扳機即視為完成當前試次的自我中心距離認知及虛擬指桿光標/虛擬手光標指點任務.被試在任務執(zhí)行過程中,若目標距離較遠則可單腳邁出一步,每個試次結束后均需回到原位.

2.3 被試與實驗環(huán)境

實驗共邀請了15 名被試,其中8 名男性、7 名女性.所有被試均為18-25 歲的在校學生,30%來自設計相關專業(yè),70%來自計算機相關專業(yè).所有被試視力均為正常或通過矯正達到正常水平,慣用手均為右手.

實驗通過Unreal Engine 4 完成實驗平臺搭建及任務開發(fā).采用 HTC Vive 作為輸入設備,如圖7所示,可提供110°視場角,雙眼像素分辨率為2880×1600.被試通過操控手柄移動虛擬光標,手柄輸出的點擊位置坐標及時間由系統(tǒng)自動記錄.任務環(huán)境為一個無邊際單一光源的黑色環(huán)境,避免其他因素對被試的距離認知造成影響,地面始終顯示一個三角形標志以提示被試站立位置及方向.

圖7 虛擬空間指點交互實驗

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS Statistics 26 對實驗數(shù)據(jù)進行重復測量方差分析,P＜0.05 則視為數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計學意義.使用Matlab R2019b 對實驗數(shù)據(jù)進行線性擬合,并建立回歸模型.

3 實驗結果與分析

3.1 目標指點AC的差異性比較

對AC數(shù)據(jù)進行重復測量方差分析,結果如下.

不同指點光標的目標指點AC有顯著性差異 (F=15.650,P=0.001＜0.05) (F表示顯著性差異水平,P表示檢驗水平),支持假設H3,即指點光標類型對自我中心距離認知準確度有顯著性影響.結合圖8可以看出,總體上,虛擬手光標的目標指點AC高于虛擬指桿光標.已有研究證明,在虛擬環(huán)境中增加被試熟悉的物體可以改善被試的距離認知準確度[16,30],人體在VR 中的模擬可以改善距離認知[31].實驗中虛擬手光標被調(diào)整至被試手的真實大小,為被試提供了一定的提示信息,導致被試使用虛擬手光標時總體自我中心距離認知準確度較高.

圖8 各目標條件下虛擬手光標與虛擬指桿光標的平均目標指點AC

不同自我中心距離的目標指點AC無顯著性差異(F=2.040,P=0.149＞0.05),表明自我中心距離不能顯著影響被試對其的認知準確度,假設 H1不成立.這與前人的研究結果不同[14],前人認為,由于人眼調(diào)節(jié)與會聚特性以及眼球轉動范圍的限制[32],人在觀察近距離目標時自我中心距離認知準確度會降低[33].本實驗依照人機工程標準將目標設定在人眼辨別的舒適區(qū)域內(nèi),上述人眼特性對實驗結果的影響被降到了最低.同時本研究發(fā)現(xiàn),被試在D1、D2、D3 上均低估了自我中心距離,當目標分別顯示在45 cm、80 cm和115 cm的自我中心距離上時,相應的距離認知平均值分別為44.36 cm (SD=1.34)、78.50 cm (SD=2.18)和113.05 cm(SD=3.08) (SD表示標準差),這與已有研究結果一致[1].

另外,本研究發(fā)現(xiàn),目標大小對目標指點AC有顯著性影響(F=9.245,P=0.003＜0.05),即目標大小會顯著影響被試的自我中心距離認知準確度.成對比較發(fā)現(xiàn),直徑為S3的目標指點AC顯著高于S1 (P=0.001＜0.05)、S2 (P=0.001＜0.05),直徑為S2的目標指點AC顯著高于S1 (P=0.018＜0.05),即目標越小、目標指點AC越高、自我中心距離認知準確度越高.通過不同大小目標的指點MT可知,如圖9所示,被試在指點小尺寸目標時目標指點MT顯著增加,目標指點速度降低,目標指點速度與準確性之間存在補償關系[28],這可能是被試指點小目標時自我中心距離認知準確度更高的原因.除此之外,目標方位角對目標指點AC無顯著性影響(F=1.124,P=0.394＞0.05).

圖9 各目標條件下虛擬手光標與虛擬指桿光標平均目標指點MT

如圖8中A 區(qū)所示,指點光標與自我中心距離對目標指點AC有雙向交互效應(F=12.384,P=0.001＜0.05),支持假設H3,即兩種指點光標對被試自我中心距離認知準確性的影響在不同自我中心距離下存在顯著差異.根據(jù)簡單效應檢驗結果,可進一步分析各指點光標在3 個自我中心距離下的目標指點AC.

D1 條件下虛擬手光標的目標指點AC顯著高于虛擬指桿光標(P=0＜0.05),可見若目標位于被試自我中心距離45 cm 處,使用虛擬手光標指點目標的自我中心距離認知準確度更佳.被試在使用虛擬手光標靠近目標時,較為容易觀察到光標正在接近或已經(jīng)穿過目標,既獲得一個隱性的視覺提示[16].一方面,被試在指點D1 處的目標時無須移動身體,因此視野較為平穩(wěn),可以更好地觀察目標與光標之間的遮擋關系.另一方面,虛擬手光標與目標之間產(chǎn)生的遮擋關系較為明顯,而虛擬指桿光標與目標之間的遮擋關系相對微弱.

D2 條件下虛擬指桿光標的目標指點AC顯著高于虛擬手光標(P=0＜0.05),表明若目標位于被試自我中心距離80 cm 處,使用虛擬指桿光標指點目標的自我中心距離認知準確度更高.被試在指點D2 處目標時需大幅度伸展手臂,因此使用兩種指點光標進行目標指點時會調(diào)用不同的視覺系統(tǒng),即認知系統(tǒng)、感知運動系統(tǒng),感知運動系統(tǒng)的作用機制是條件反射,不涉及對視覺信息的加工,認知系統(tǒng)則會對視覺信息進行加工處理[34-36].使用虛擬手光標時,由于被試手的位置即虛擬手光標位置,虛擬手光標的移動較為容易控制,被試的視覺焦點和注意力主要集中在目標上,傾向于依靠感知運動系統(tǒng)來控制手臂將虛擬手光標靠近目標;若使用虛擬指桿光標,被試則更為關注虛擬指桿光標與目標間的匹配關系,傾向于調(diào)動認知系統(tǒng)來匹配虛擬指桿光標尖端和目標[36].在D2 處使用虛擬指桿光標的目標指點AC更高,可能是由于被試調(diào)動了認知系統(tǒng)以實現(xiàn)虛擬指桿光標和虛擬手光標的位置匹配.

在D3 條件下虛擬手光標的目標指點AC顯著高于虛擬指桿光標 (P=0＜0.05),可見被試在指點自我中心距離為115 cm的目標時,使用虛擬手光標指點目標的自我中心距離認知準確度更佳.Hale 等指出,人體運動產(chǎn)生的運動視差可以改善人在虛擬環(huán)境中的距離認知[30].被試在使用虛擬手光標選取D3 處目標時,需要移動身體以靠近目標,因此通過運動視差獲得了更好的自我中心距離認知.

另外,交互光標類型與目標大小(F=3.541,P=0.059)、目標方位角(F=0.604,P=0.668)間的目標指點AC均無顯著雙向交互效應.

由以上實驗分析可知,在VR 三維指點任務設計對自我中心距離準確度要求較高的情況下,應將目標放置于被試自我中心距離45 cm、115 cm 處,并選擇虛擬手光標進行交互;或將目標放置于被試自我中心距離80 cm 左右的區(qū)域,并采用虛擬指桿光標進行交互.減小目標尺寸可以提高被試的自我中心距離認知準確度;改變目標方位角對被試的自我中心距離認知準確度沒有顯著影響.

3.2 目標指點MT的差異性比較

對MT數(shù)據(jù)進行重復測量方差分析,結果如下.

不同指點光標類型的目標指點MT有顯著性差異(F=4.728,P=0.047＜0.05),支持假設H4,即指點光標類型會顯著影響三維指點任務的目標指點速度.結合圖9可以看出,被試使用虛擬指桿光標進行目標指點的總體MT小于使用虛擬手光標.這是由于被試使用虛擬手光標進行目標指點時,手臂的實際移動路徑較長,導致其目標指點MT較長,目標指點速度較慢.而虛擬指桿光標延伸了被試自身手臂長度,使被試可以更迅速地指點目標.

不同自我中心距離的目標指點MT有顯著性差異(F=13.787,P=0.001＜0.05).結合表3可知,D1、D2、D3 間成對比較均存在顯著差異,被試在3 種自我中心距離下指點目標所需MT排序為:D1＜D2＜D3,支持假設H2,即自我中心距離影響三維指點任務的目標指點速度,且自我中心距離越大,目標指點速度越慢.目標大小對目標指點MT有顯著性影響(F=93.340,P=0＜0.05).結合表3可知,S1、S2、S3 間成對比較均存在顯著差異,被試指點3 種不同大小目標所需MT排序為:S1＜S2＜S3,支持假設H5,即目標大小影響目標指點速度,且目標尺寸越大,目標指點速度越快.自我中心距離和目標大小對MT的影響遵循了前人對三維指點任務[26]的研究,隨著自我中心距離增加、目標尺寸減小,被試的目標指點MT有所增加.

表3 自我中心距離、目標大小各水平成對比較結果

不同目標方位角的目標指點MT有顯著性差異(F=5.007,P=0.015＜0.05),支持假設H6,即目標方位角顯著影響目標指點速度.成對比較發(fā)現(xiàn),方位角A2的目標指點MT顯著低于A1 (P=0.003＜0.05)、A3 (P=0.016＜0.05)、A5 (P=0.041＜0.05),方位角A4的目標指點MT顯著低于A1 (P=0.019＜0.05)、A3 (P=0.001＜0.05)、A5 (P=0.006＜0.05).已有研究證實,在三維指向任務中,指向下方目標所用MT小于指向上方目標[26].另外,本研究中方位角A5的目標指點MT顯著低于A3 (P=0.026＜0.05).一方面可能是由于A5 處的目標與起點夾角為0°,被試在指點時僅控制指點光標在水平面的移動,因此目標指點速度較快.另一方面,目標位置與人肩等高時人執(zhí)行特定動作的速度較快[28],本實驗根據(jù)被試肩高對目標高度進行了調(diào)整,處于方位角A5的目標與被試肩高在同一水平高度.

如圖9中B區(qū)所示,指點光標類型與自我中心距離對目標指點MT有雙向交互效應(F=22.506,P=0＜0.05),支持假設H4,即兩種指點光標對目標指點速度的影響在不同自我中心距離下存在差異,簡單效應分析結果如下.

D1 條件下虛擬手光標的目標指點MT顯著低于虛擬指桿光標(P=0.024＜0.05),即被試指點自我中心距離為45 cm的目標時,使用虛擬手光標的目標指點速度更快.導致這種現(xiàn)象的原因,一方面可能是由于被試對兩種交互方式的熟練度不同,采用虛擬手光標在近距離指點目標更接近被試日常生活中的交互活動(如:觸摸電子屏幕),而被試在現(xiàn)實生活中極少會有類似于使用虛擬指桿光標的交互行為;另一方面,從人體測量學的角度解釋[28],被試在使用有一定長度的虛擬指桿光標指點近距離目標時,其運動會受到手掌和手臂位置的限制,而被試使用虛擬手光標指點近距離目標時,更容易控制手臂的運動.

D3 條件下虛擬手光標的目標指點MT顯著大于虛擬指桿光標(P=0＜0.05),可見被試指點自我中心距離為115 cm的目標時,使用虛擬指桿光標的目標指點速度更快.被試使用虛擬手光標執(zhí)行三維指點任務時,手臂實際移動距離隨自我中心距離增大而增長,且增長速率較大,這使得目標指點MT隨之較快增長.而虛擬指桿光標在每個自我中心距離下均有相應的長度,被試用其執(zhí)行三維指點任務時,手臂實際移動距離并不會隨自我中心距離增大有明顯增長,因此目標指點MT不會產(chǎn)生明顯增長.

另外,交互光標類型與目標大小(F=1.728,P=0.216)、目標方位角(F=0.190,P=0.939)間的目標指點MT均無顯著雙向交互效應.

根據(jù)上述實驗分析可知,在VR 三維指點任務對目標指點速度要求較高的情況下,應將目標放置于被試自我中心距離80 cm、115 cm 處,并使用虛擬指桿光標進行交互;或將目標放置于被試自我中心距離45 cm 左右的區(qū)域,并采用虛擬手光標交互.增加目標尺寸、減小自我中心距離可以提高目標指點速度;使目標與起點、用戶肩高在同一水平高度或將目標置于起點下方可以提高目標指點速度

3.3 基于費茨定律的擬合度評價

根據(jù)Murata 等對費茨定律的擴展研究,d與s的比值、θ的正弦值越大,難度系數(shù)(index of difficulty,ID)越高,三維指點任務的目標指點MT越長[26],如式(2)、式(3).

其中,d為任務中起點與目標間軌跡距離,s為目標大小,θ為目標方位角,a和b為經(jīng)驗參數(shù).

建立各指點光標目標指點MT與ID的線性回歸模型,如圖10所示.兩種指點光標用于三維指點任務的目標指點MT與ID均為顯著線性正相關(虛擬手:MT=0.063+0.290ID,R2=0.832、虛擬指桿:MT=0.593+0.138ID,R2=0.950) (R2為擬合優(yōu)度).

圖10 虛擬手光標/虛擬指桿光標的目標指點MT與ID的線性回歸模型

各自我中心距離下虛擬手光標的目標指點MT與ID的擬合優(yōu)度分別為:R2D1=0.922(MTD1=0.360+0.182ID);R2D2=0.903(MTD2=0.340+0.233ID);R2D3=0.879(MTD3=0.936+0.113ID);各自我中心距離下虛擬指桿光標的目標指點MT與ID的擬合優(yōu)度分別為:R2D1=0.937(MTD1=0.644+0.124ID);R2D2=0.919(MTD2=0.587+0.136ID);R2D3=0.900 (MTD3=0.633+0.132ID),如圖11所示.這表明該模型可用于VR 中基于指點光標的三維指點任務預測.

圖11 各自我中心距離下虛擬手光標/虛擬指桿光標的MT與ID的線性回歸模型

線性回歸擬合線的斜率反映了ID增加導致的MT變化率,即吞吐量.結合圖10可知,虛擬手光標的目標指點MT隨ID增大而增長的速率較快,即虛擬手光標的吞吐量相較于虛擬指桿光標更大.各自我中心距離下虛擬手光標/虛擬指桿光標與ID的擬合線如圖11.D1、D2 條件下,虛擬手光標的擬合線斜率高于虛擬指桿光標,可見目標位于被試自我中心距離45 cm、80 cm處時,虛擬手光標的目標指點MT隨ID增大而增長的速率較快.D3 條件下,虛擬手光標/虛擬指桿光標的擬合線斜率差異不大,即目標位于被試自我中心距離115 cm處時,使用虛擬手光標或虛擬指桿光標指點目標,MT隨ID增大而增長的速率差異不大.

因此,若需在VR 個人空間中改變?nèi)S指點任務的ID以顯著影響使用者的目標指點MT,應使用虛擬手光標作為指點光標;若需在同一自我中心距離下改變?nèi)S指點任務的ID以顯著影響使用者的目標指點MT,則應將目標設置在被試自我中心距離45 cm、80 cm左右的區(qū)域,并使用虛擬手光標作為指點光標.

4 總結

本文得出以下結論:

(1)VR 中,指點光標類型、目標大小對自我中心距離認知準確度有顯著影響;隨著自我中心距離的變化,不同指點光標對自我中心距離認知準確性的影響有所不同.目標位于被試個人空間中自我中心距離較近或較遠的區(qū)域時,被試使用虛擬手光標進行目標指點獲得的自我中心距離認知較為準確;若目標位于被試個人空間中自我中心距離中等的區(qū)域,則被試使用虛擬指桿光標進行目標指點獲得的自我中心距離認知準確度較高;若想提高被試的自我中心距離認知準確度,應盡量縮減目標大小.

(2)VR 中,指點光標類型、自我中心距離、目標大小、目標方位角對目標指點速度有顯著影響,隨著自我中心距離的變化,不同指點光標對目標指點速度的影響有所不同.目標位于被試個人空間中自我中心距離較近的區(qū)域時,被試使用虛擬手光標進行目標指點的速度較快;目標位于被試個人空間中自我中心距離中等或較遠的區(qū)域時,被試使用虛擬指桿光標進行目標指點的速度較快;若想提高被試的目標指點速度,應盡量增加目標大小,并將目標設置在方位角0°、180°或起點下方的位置.

(3)VR 中,兩種指點光標的目標指點MT均基本符合費茨定律在三維指點任務中的擴展模型.整體個人空間中,使用虛擬手光標進行目標指點的MT受任務ID的影響較大;目標位于被試個人空間中自我中心距離較近或中等的區(qū)域時,使用虛擬手光標進行目標指點的MT受任務ID的影響較大.