2500字的虚拟现实科技论文
2500字关于虚拟现实的科学论文——直观的交互界面和虚拟现实
摘要:为了开发更高层次的直观交互界面，有必要引入虚拟现实技术，借助沉浸式、交互式、富有想象力的人机交互环境，获得真实直观的体验。通过特殊的物理设备和先进的手势识别技术，用户无需学习特殊的操作命令，就可以与计算机进行交流并获得实时反馈，独特的沉浸式环境可以营造人机一体感。结果表明，虚拟现实技术有效改善了用户体验，大大简化了操作的复杂性，可应用于从娱乐到专业制造的各种场合，是直观交互界面的强大驱动平台。
关键词:直观交互；人机交互；虚拟现实
中国图书馆分类号:J0-05文献识别码:A
这篇文章在？人机？在人机交互的意义上？互动？。随着计算机技术几十年的飞速发展，计算机已经完全进入日常生活的方方面面，其影响无处不在，人机交互操作也越来越重要。因为电脑还没能摆脱冯？诺依曼体系的根本制约和人类思维方式的差距，仍然像一条天然的护城河。人机交互的一个重要焦点是如何最小化人类用户的操作方式和计算机的操作方式的差异。这意味着我们仍在探索和讨论，以提供更好的交互界面，使人们能够流畅高效地与计算机交谈。
长期以来，交互设计思维的首要强调是以人为本，换句话说，就是让设计适应人，而不是适应人。这种观点在计算机还是国防机密的时代显得有些奢侈，人们只能痛苦地训练自己去迎合机器(比如用完全机器化的编程语言和计算机对话)。目前相对便宜的个人电脑可以提供相当大的计算能力，所以交互界面的设计原则就符合这种思路，把界面做得尽可能人性化，让人用起来舒服，而繁重的计算就留给计算机在幕后默默处理。
正是在这种背景下。直觉？这个词吸引了所有人的注意力。毕竟相比日常物件，电脑的交互界面还是太不人性化了，还是保持着一副冷冰冰的面孔。如果能把我们习惯的动作引入到与计算机的交互中，不自觉地完成与计算机的交流，那么这样的人机界面就可以称为以人为本。在呈现直观界面方面，新兴的虚拟现实技术提供了最有价值的工具。
本文旨在讨论直观交互界面及其与虚拟现实技术的关系。为了完成这样的任务，我们首先要对人机交互意义上的直觉做一个明确的定义，这其实和流行文化有关？直觉？概念大相径庭。然后我们会讲一下如何在上述意义上把直觉和虚拟现实结合起来，并提供具体的案例来支持我们的讨论。
首先，直观的交互界面
直觉是一个通俗的词，但其实不同学科对直觉的定义是不一样的。本文的研究对象是人机交互，因此将在？凭直觉和电脑互动？(凭直觉与计算机交互)。首先需要注意的是，交互是双面的，即人与计算机的交互是双向的，但直觉只能被人拥有，它只是用来修改人的判断和感受。因此，直观人机交互关注的是以人为中心的交互场景中的参与元素对人是否直观。从人的角度考虑交互界面，这其实是打基础？以人为本？理论上的基本性质。
一般来说，人们对直觉交互有以下需求:无需有意识的思考就能做出。比如，人在翻书的时候，不需要有意识地考虑用多大的力气，手指要走什么样的空间路线，或者有意识地等待翻页后的异常情况再做出反应，等等。从这个意义上说，实体书的交互界面是直观的。根据上述诉求，布莱克勒等人指出直觉是？基于以往经验的无意识反应？[1]。这个定义强调两点:基于过往经验和无意识。直觉往往是一种无意识(潜意识)的动作，几乎成了* * *学问，这里就不讨论了。需要澄清的是。根据以往的经验？这个。
在日常生活中，人们可能不会认为直觉和过去的经验有什么关系。相反，很多人认为，如果一个手术不需要经验就可以进行，显然更直观。特别是在中国的传统文化中？直觉？概念充满反智主义，直接把？直觉？用什么？本能？有联系，往往意味着？可以在没有知识或者经验的情况下下意识的完成？。但这其实是一种错误的观点，不仅误解了人的本能，也没有认识到过去经验的真实存在和影响。事实上，现代理论表明，大多数人类行为――简单的或复杂的――都是后天习得的，而不是印在大脑中的。如果仅仅依靠本能，我们几乎无法完成任何人机交互:就拿按钮这个最简单的人机界面元素来说，如果我们没有通过各种例子提前意识到有按钮这种东西并按下它开始一些相关的反应，用户甚至无法按下按钮。或者用K.R.Popper[2]的话说，所有的行为都带有理论——后天获得的理论。
将直觉和以往的经验联系起来，不仅揭示了人机交互中直觉的真实面目，也指出了设计人机交互界面时的一个基本准则:由于不同的人有不同的生活经历和知识水平，他们以往的经验也是不同的，这意味着每一类人对？直观的交互界面？不同的衡量标准。有一个简单的例子可以说明这一点。
考虑一个运行在电脑上的电台软件，播放网络上的各种实时音频流(包括传统电台的在线音频流)。图1模拟晶体管收音机的FM指针窗口，从传统的角度看很直观。但是对于没有用过晶体管收音机的新一代年轻人来说，由于经常接触电脑，他们会觉得图2中的界面很直观，因为这样的界面使用了电脑用户熟悉的UI(用户界面)元素，包括菜单、按钮、列表框和滚动条。
大部分习惯晶体管收音机操作的用户并不习惯新的接口，而习惯了新接口而从未使用过晶体管收音机的用户很可能对传统接口一无所知。这个例子充分说明，在考虑直观交互界面时，一定要考虑用户群体的过往体验，根据不同的过往体验来判断直观因素。没有唯一的、通用的、通用的直观界面，这给了设计师很大的挑战，但也是创新的巨大动力。此外，虽然直觉的定义并不直接反映美学的考虑，但美学和直觉显然是相互关联的[3]。因为直觉的运用与互动过程中唤起的先前知识有关，审美判断作为人类感知过程的起点之一，恰恰是诱发直觉的重要因素。一个有美感的界面可以抵消用户在使用过程中的焦虑感和隔阂感，潜意识里鼓励和促使用户做出交互行为，保证交互行为的连续性和统一性。上面的例子也说明，对于传统用户来说，设计精美、极具质感的仿真界面有效抵消了传统用户对计算机软件的不适，方便了他们的使用，也大大降低了潜在的学习成本。对于年轻用户来说，也可以在熟悉的控制界面中自由操作，拉近了旧技术(传统流媒体)与新技术的距离。总之，具有良好美学特征的直观界面具有重要的价值和意义，体现了人机交互界面的发展趋势。
第二，直观的界面和虚拟现实
自20世纪70年代以来，虚拟现实技术的发展异常迅速，从专业研究到商业应用甚至家庭娱乐都可以看出这一点。从根本上说，虚拟现实只是直观交互界面大趋势的反映，因为人机交互进化的内在逻辑在于，呈现和交互手段始终致力于让用户以更直观、更自然、更简单的方式获取更丰富、更动态、更实时的数据资源。
简而言之，虚拟现实提供了一个具有沉浸感、交互性和想象力的虚拟数字富媒体环境。用户不仅可以沉浸在它提供的丰富多彩的虚拟环境中，还可以通过各种创新的方式与环境中的元素进行交互。沉浸性、交互性和想象性是虚拟现实的三个基本特征[4]:一、沉浸性，即允许用户通过各种技术手段生成？在那里？感官，包括视觉(利用人类立体视觉的原理产生虚拟的三维深度感)、听觉(利用立体产生虚拟物体的方位感)、触觉(通过力觉设备让用户以为自己在和真实的物理实体打交道)等等；第二是互动性。用户可以与虚拟现实系统中的各种对象实时交互。用户的操作不再局限于传统的键盘、鼠标或操纵杆，还包括高级数据手套、可穿戴反馈服等。第三是想象力。呈现给用户的虚拟现实场景有一种超越现实场景的特殊魅力，在某种意义上真的是？得到你想要的。
从以上特点可以看出，虚拟现实的基本出发点是超越传统人机交互界面的非人性化，不仅要让用户沉浸在整个交互场景中(沉浸感)，还要让用户以更直观的方式操作计算机(交互性)。第一，虚拟现实技术可以有效地直觉化计算机交互界面，提供与日常场景尽可能相似的界面，完全基于人类日常视觉直觉。其次，虚拟现实技术可以有效地消除人机交互之间的障碍，让用户通过日常的动作和行为与计算机进行交互。
从上面的概念分析可以看出，直观的程度取决于用户自身的已知体验，使用情境、审美等其他因素也要考虑进去。虚拟现实技术本身提供了多种方法，但具体的构建和应用也应遵循这样的准则。下一节将提供几个应用案例来说明这些，并全面讨论如何真正利用虚拟现实技术来设计直观的交互界面。
三、应用案例及讨论
基于虚拟现实技术的直观交互界面广泛应用于各个层面和领域。其目标用户不仅包括非专业人士(普通人)，也包括熟悉电脑但希望寻求更直观的交互操作方式的专业人士。对于前者，他们需要一个人机界面，能够尽可能降低学习和记忆的成本，并且还具有娱乐性。对于后者来说，具有良好控制感的直观界面可以大大提高生产率和良率，促进整个生产过程的优化。
日本大阪大学人类工程学实验室的Kazuo Ito开发了ActiveCube [5]，将直观的界面引入儿童和青少年的认知学习和娱乐中，并辅以虚拟现实或增强现实设备，以提升其应用价值。每个积木都是一个边长五厘米的塑料立方体；积木中有一个可编程的集成电路，它控制一系列可选的传感器或小型设备，包括超声波传感器(感知外部物体的接近)、坐标传感器(三维坐标的相对角度)、触觉传感器(最多可以安装两个，每个传感器可以感知八个方向的触摸)、红外传感器、灯和电机。所以每个积木其实就是一个独立的玩具，可以感知环境，产生相应的动态行为。更妙的是，这些积木还可以相互连接，连接的部分也可以相互沟通，形成整体行为。儿童用户可以直观地使用它们，无需额外的教学。这样直观的操作界面可以很好的避免其内部复杂的结构对用户的影响，让小学低年级的学生可以独立操作。
ActiveCube的一大特点是可以用在虚拟现实场景中。在这种情况下，红外传感器捕捉构建的积木的形状，并显示符合该形状的虚拟对象。虚拟现实技术应用后，可以将规则的积木改造成植物、动物、日用器皿等。，这不仅大大改善了视觉效果，还允许用户进一步播放和操作。
ActiveCube也可以用于虚拟现实场景。在这种情况下，红外传感器捕捉构建的积木的形状，并显示符合该形状的虚拟对象。由于ActiveCube本身只是一个简单的立方体，其六面自由连接功能限制了表面的装饰效果，最终的组装效果可能无法引起儿童用户的兴趣。虚拟现实技术应用后，刚性的积木可以改造成植物、动物、日用电器等。，这不仅提高了视觉效果，还允许用户进一步播放和操纵。在上面的例子中，外观相对简单的十字形积木可以转化为漂亮的平面，相应的飞行轨迹会随着积木在真实环境中的位移而呈现在真实设备上。
另一个例子来自工业设计领域。现在的设计师普遍拥有较高的学历和较专业的计算机技能，但在3D产品建模时，复杂的软件界面仍然是最重要的障碍，更何况键盘鼠标的操控方式与人手的自然行为完全不同，严重干扰了设计师的思维和创作习惯。荷兰代尔夫特大学的工业设计工程团队在这方面做了大量的研究，并提出了新的解决方案。关键是引入直观的手势与计算机交互，在虚拟现实环境中完成建模工作[6-7]。
一般来说，手势比面部表情和眼球运动更容易捕捉和识别，比全身手势更容易实现(特别是在狭窄的空间)，因此受到直观界面研究者的青睐[8]409-420。但是手势也分几个小类，不一定适合人机交互。许梅尔斯指出了三种手势。第一种是从计算机的角度定义的，非常方便计算机识别，但是需要用户刻意去学习和掌握，不够直观。第二类，恰恰相反，是指人类日常生活中的手势，它的优点是非常直观，但计算机程序需要特殊设计才能识别。第三种手势结合了上述两类的优点，并尽量避免它们的缺点，称为描述性手势，它本身有应用面窄的缺点，但辅以虚拟现实技术，它可以成为连接设计师和计算机的有效方式。为了提高描述性手势的效果，研究人员专门设计了一个虚拟现实实验环境，如图3所示。在这种环境下，普通设计师作为主体，自由地使用自己惯用的手势进行设计和创作，这些基于直觉的手势被运动传感器记录下来，最后进行统计分析。通过这个过程，研究人员可以收集和分析最适合虚拟现实环境的直观手势。最终可以确定设计者直观、计算机容易识别的手势方案。在该系统中，设计师可以像往常一样与计算机辅助设计软件进行人机对话，不仅直观高效，还得益于虚拟现实环境，整个设计过程与真实体验相似，大大提高了设计效率。
四。结论与展望
一直以来。以人为本？是人机交互设计领域的核心口号之一。但本文的分析指出，这决不能是一句抽象的口号，而必须落实到具体的应用情境中。另一方面，近年来？用户体验？【9】的声音不绝于耳，本质上是一样的？以人为本？精神的一种反映，但这种提法也有过于模糊的缺点，导致基于它产生了许多不同的理论。其实只要清楚就好？人？(那是？用户？)特异性，问题就解决了。既然不同的人，不同的用户，自身的情况有很多差异，那么也就侧重于？以人为本？还是？提升用户体验？产品，需要给出不同的解决方案，提供与不同人/用户不同的交互界面，才能在交互过程中让用户满意。
直觉的概念已经明确，但这显然并不意味着直觉交互设计中的各种问题都得到了解答。如何让一个交互界面更少的占用用户的逻辑意识(也就是怎么做？无意识或下意识地使用？)，而如何清晰的定性和定量的分析一个特定用户过去的体验来支持交互界面的设计，仍然是一个非常复杂的问题。幸运的是，在各领域学者的努力下，这一领域已经有了许多成功的理论或实践。这方面最重要的问题是直观交互中的手势问题，旨在解决人机交互场景下如何使用有效的手势操作计算机的问题。因为手势不受传统输入设备的限制，自然与虚拟现实技术结合[8]409-420。此外，直观的交互界面也是商业和家庭娱乐虚拟现实应用的研究热点。由于研究的深度和文章的篇幅，本文遗憾地未能对这些方面进行论述，希望在后续的研究中逐步展开。
最后需要强调的是，随着普适计算的概念在强大的计算机硬件支持下逐渐成为现实，设计和实现各种直观的界面已经成为人机交互的核心任务。普适计算要求计算机设备能够感知周围环境的变化，并执行相应的任务。如果在这个过程中交互界面不直观、不易用，其计算机人性化的核心价值就体现不出来。因此，直观交互界面的理论和实践将日益凸显其无可比拟的重要性和关键。
[参考文献]
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