虚拟环境人机交互技术的分析

马惠宝

摘 要：随着计算机信息技术的飞速发展，虚拟环境以及它的表现形式得到了极大的丰富。在越来越细腻、逼真的虚拟环境中，人们的精神世界也得到了富足。本文以虚拟环境本身特点以及其在计算机方面的特征为出发点，对虚拟环境内人机交互的技术问题进行重要分析，并给出针对性意见。

关键词：虚拟环境；人机交互；技术分析

在现代科技飞速发展的情况下，丰富的物质生活往往已经满足不了人们的需求，一部分人则开始追求精神世界的享受。而随着人们生活节奏的日益加快，方便、快捷、新奇也是人们选择娱乐方式重要标准之一，虚拟现实系统则完美的符合了大众的需求。在这种社会需求下，虚拟环境人机交互技术的深入研究就显得越发重要。

1 虚拟现实系统

1）虚拟现实系统定义。虚拟现实（Virtual Reality，VR）示意计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成对一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响，可以产生亲临对应真实环境的感受和体验[ 1 ]。

2）虚拟现实的发展史。虚拟现实系统是J.Lanier在1989年于美国VPL Research Inc公司提出的；之后，在1992年的SIGGRAPH大会上，Cruz-Neira用虚拟现实技术设计了波音777，使用户戴上头盔时就能穿梭在这个模拟出来的飞机之中，观察这个飞机的各项设计，这在当时引起了科技界的瞩目[ 2 ]。1996年，古斯皮·里瓦对虚拟环境定义为“一个由计算机生成的、可与主体产生互动的模擬空间”[ 3 ]。而VR技术不断发展到今天，一家家体验馆已经入雨后春笋般涌现出来，使得这项高科技系统越来越平民化、普及化。

2 虚拟环境人机交互的方式及其设备

在虚拟环境中，人们除了有身临其境的感知力外，最重要的，就是能与虚拟环境中的物体进行交互。在几年前，VR系统还没流行起来时，曾经有大批的体感游戏大量涌入市场，当时就是用户手持着体感游戏的操纵杆与游戏中的人物进行比赛，格斗等一系列的交互动作。而对比体感游戏，VR系统更注重人与虚拟环境之间的感知传递。

2.1 虚拟环境的显示机及其设备

根据研究结果表明，大多数人类获取信息的方式有80%左右来自视觉信号的感知，因此视觉也是VR系统带领用户走进虚拟环境中最为重要的一项。

1）头盔式虚拟环境显示设备。头盔式的显示方式是VR系统中最为常见，也是人们最为了解的显示方式。头盔显示系统，即HMD，分为两类，一类是非透视型头盔，它是将两个显示器安装于头盔中接近眼部的地方，头的方向及位置能被头盔内部的感应器能随时感应，从而在显示器上投射当前视角下的场景。这种头盔给用户的沉浸感极强，但往往容易造成使用者头晕，眼睛疲劳等问题，这是由于用户长时间只能看到计算机生成的三维场景所导致的。另一类就是透视型头盔，这类头盔的主要作用是增强现实，也就是AR系统。这类头盔的特点是使用者能看到真正的现实情况的同时，计算机也会在显示器上实时叠加多种信息，使虚拟几何对象与真实环境增强性的融为一体。2）投影式虚拟环境显示设备。投影式显示系统一般是利用墙面进行投影，使多个用户能够同时感受逼真的虚拟场景的显示系统。投影式显示器一般会用到三个以上且彼此相连的面，而投影式显示器在这些面外利用计算机，融合器和多个投影仪来对这些面进行同时投影。其中，对于面与面之间的无缝拼合，融合器起到了极大的作用。3）其他显示设备。在虚拟环境显示设备中，还有其他几类显示设备的应用，比如被应用在工作中的桌面时显示设备，这种是利用桌面，投影仪及计算机所组成的；还有手持式显示设备以及自由立体显示设备等……

2.2 力/触觉交互方式及其设备

在现有的VR应用中，很多都需要用户与虚拟场景内的物品进行力/触觉的交互，所以就需要对应的设备：

1）力反馈操纵杆。如同前文所说，在几年前的体感游戏中，力反馈操纵杆已经得到了良好的应用，它是根据用户的行为不同，在操纵杆顶端产生反作用力的效果，使用户在虚拟环境中真够真实感受到用力的反馈。例如，用户在虚拟环境中用棒球杆将球击出，那么操纵杆就会模仿棒球的反震力，让用户感觉真的击打到了球。2）触觉数据手套。由于人类现实中的大部分交互作用都是用手来完成的，所以触觉手套能够很好地让人进行虚拟环境中触觉交互。触觉数据手套大多使用较为轻薄的材质进行制作，一方面方便在上面安装光纤导体作为传感器，另一方面也能减少手在交互过程中的阻碍感。以充气式触觉手套为例，他会在用户手部在虚拟环境中进行交互时，利用计算机的引导，对具体交互部位进行充气和放气，是用户的手能够感受到具体的压迫感；而振动式触觉手套则通过手套内部的振动装置刺激皮肤神经，以达到产生触觉反馈的目的。

2.3 其他类型的交互设备

1）跟踪定位的方式及其设备。跟踪定位是帮助显示器，力/触觉交互设备更好的完成虚拟环境交互的方式。其主要分为两种，一是有源跟踪定位，顾名思义，用户身上会被放置信号发射源，通过信号的链接反馈来确定用户的位置；另一种是无源跟踪定位，主要原理是绝对位置测量的机电式的跟踪方式，特点是精度高、稳定性好、延时小以及干扰较少。

2）行走交互的方式及其设备。理想的VR可以在用户现实中行走时虚拟空间中也跟着移动，那么就需要行走交互，而行走交互的方式主要分为三点：一是踏板式行走交互，主要原理就是用户在自行车模拟器踏板上轮换踩踏，利用力传感器进行在虚拟环境中的行走；二是地面行走式交互，这种方法不需要踩踏，可以直接利用传感器来确定用户在虚拟环境中所处的位置，但是现在这种方法的精度不高，而且延时较大；第三种方式就是传动平台式行走交互，用户在使用滚轮的传动平台上行走，通过踩踏滚轮的压力来确定用户在虚拟环境中位置，这种方法的精确度较好，交互方式自然，但噪音较大，稳定性也有待改进。

3 结论

综上所述，虽然虚拟现实系统很早就已经提出，但在现在仍然算是新兴产业，有很大的研发空间及商业价值。而作为其中最主要的交互系统，现阶段的开发也有待改进和完善。本文对虚拟空间人机交互技术做了一些探讨，希望能在这方面提供借鉴意义。

参考文献：

[1] 赵沁平.虚拟现实综述[J].中国科学（F辑：信息科学），2009，（01）：2-46.

[2] 程成.虚拟环境人机交互技术研究[D].中国科学院研究生院（软件研究所），2002.

[3] 陶侃.虚拟环境中基于问题情境的认知活动与学习交互[J].开放教育研究，2012，（04）：36-43.