分析虚拟现实训练系统中基于手势的人机交互

摘 要：虚拟现实是对三维环境的计算机模拟。本文为对虚拟现实系统中人机交互技术进行研究，详细叙述人机交互技术、虚拟现实技术以及虚拟现实人机交互技术理论，并以此为基础，展开对虚拟环境人机交互问题分析，梳理虚拟环境本身特点，提出虚拟环境中人机交互技术方式、碰撞算法等关键问题，最后再对虚拟现实技术下人机交互运行机制实践进行研究，阐明当前人机交互技术不足之处，并对未来虚拟现实系统中人机交互技术发展提供方向。全文通过对虚拟现实系统中人机交互技术研究，意识到人机交互和谐重要性以及人机交互技术对未来科技发展关键性，从而在推动人机交互技术不断发展与创新的同时，更好推动科技进步与发展。

关键词：虚拟现实系统;虚拟场景;人机交互技术;研究

虚拟现实是由计算机生成的系统。具有沉浸感、交互性以及构想性等特征。人机交互技术对推进虚拟现实广泛应用和提高用户体验有着非常重大的意义[1]。交互性使用户与虚拟环境建立双向感。人机交互是实现虚拟走向应用的关键。虚拟现实在军事、医疗、航空航天、教育以及远程控制等方面都起到关键作用，未来，这种技术很有可能改变世界，与人成为一个共生体一起生活[2]。

1.理论基础

1.1人机交互技术

计算机刚诞生，交互通常采用开关、指示等二进制机器语言进行。 70年代后期，出现图形化界面，又称WIMP界面，即窗口、图标、菜单和指点装置 [3]。

1.2虚拟现实技术

虚拟现实技术在众多技术和算法支撑作用实现飞速发展。2016年，虚拟现实技术成为各行各业关键技术，与之相关应用层出不穷[4]。我们可使用三维交互式动态现实来创建虚拟世界，让人有身临其境之感。

1.3虚拟现实人机交互技术

虚拟现实和人机交互技术结合可获近乎真实交互体验;如，不具备物理实物，采用虚拟现实设备搭建预期模拟场景;也可不改变硬件设备，模拟出物理实物。虚拟现实人机交互技术中如何将人机交互更自然、直观的使用在虚拟现实环境中是该技术的重点工作[5]。

2虚拟环境人机交互问题分析

2.1虚拟环境本身的特点

（1）虚拟环境的分布性

分布式虚拟现实，简称DVE。在DVE系统中考虑因素较多，如：支持协同工作、使用Internet网和ATM网、限时计算机技术保证实时效应、对系统中几何模型数据进行管理以及将人工智能引入DVE系统中都可作为该系统的未来发展方向[6]。

（2）虚拟环境的并发性

并发性体现在两方面，一是多个用户各自执行任务构成并发，二是虚拟环境中，多个对象自主行为序列之间构成并发。所谓虚拟环境的并发性，是在其内部有一个独立控制流，并发条件下，对象可接受多个输入流，也可在内部存在多个线程，运作过程中对并发采取有效的控制，可促进系统预期任务的完成[7]。

（3）虚拟环境的交互性

虚拟环境是一种特殊环境，可利用特殊装置，投射到虚拟环境中。虚拟环境将用户与计算机看作一个整体，将原本抽象化信息可视化。交互性除人机交互，还包括人与对象之间交互以及组建和对象之间彼此交互。

2.2虚拟环境直接操作人机交互的关键问题分析

（1）人机交互方式研究

虚拟环境在传感技术局限下，准确性与真实性仍然存在差异。为解决这一问题，一是利用触觉交互实现真实感提升。触觉交互可实现用户与计算机的双向交互。二是多传感器通道信息融合算法，人机交互用户模型及静态和动态建模，这些算法的出现是为解决上述中视觉计算的问题，算法的出现让虚拟现实系统得到提升。

（2）碰撞检测

碰撞问题中包含两个内容，一是碰撞检测，二是碰撞响应。后者又属于力学研究范圍，关于碰撞问题所涉及到的应用很广泛，在二维平面和三维空间进行碰撞检测，所遇到的问题是完全不同的，难度上三维物体的构造更复杂，碰撞检测算法也更困难[8]。

3.虚拟现实技术下人机交互运行机制实践研究

3.1三维计算机图形技术

在计算机中生成复杂高精准度三维图形较困难。如不对其精准度要求，用户在虚拟空间行为定位会产生偏差。三维计算机图形技术，需在不同光照角度，物体发生视觉转化。在空间移动频次实时刷新时，图像信息也必须随之刷新，还要保障输出质量，只有这样人机交互模式才能达到预期效果。

3.2广角立体显示技术

用户接受视觉信息相对有限，终端上呈现也仅是双眼焦距能适应的范围，虚拟物体距离与大小比较适中，这种状态一直持续到IMAX技术出现之前[9-10]。虚拟现实技术下，双目立体视觉得到增强，用户视野拓宽后，动态观察视觉广度与环境认知得到提升，人机交互沉浸感明显增强。

3.3立体声听觉效果与感知反馈信息

人机交互效果增强中，立体声效是基础条件。虚拟现实技术可感受到不同立体声效实时输出，方向感较强。当前虚拟现实在听觉感知在方位判断位移效应上较差。虚拟现实系统中除听觉效果，触觉上也很重要。当前技术的不断更新，用户可通过数据手套来感知虚拟事物的光滑度，振动感等，这种模拟触觉是人机交互感知得到进一步加强[11]。

4.总结

现代科学技术的发展，使各行业领域迎来新的生机与活力。尤其是虚拟现实系统中人机交互技术，确实让人们的生活发生巨大的改变[12]。

未来虚拟现实环境下人机交互技术必将面临更多挑战，必须研究虚拟现实与人机交互，人的视觉机制与自然人机交互的理论和方法，建立各种人机技术的标准和规范，以使虚拟现实系统的指标更具逻辑性。

参考文献：

[1]兰玉琪，刘松洋，王婧.人工智能技术在产品交互设计中的应用[J].包装工程，2019，40（16）：14-21.

[2]延鸣，董华.基于车载人机交互技术的驾驶学习辅助系统[J].人类工效学，2019，25（03）：26-32.

[3]周易维.基于人机特征的交互技术研究[D].沈阳工业大学，2019.

[4]刘昕.基于眼动的智能人机交互技术与应用研究[D].南京大学，2019.

[5]王思迈.人机交互技术的发展现状及未来展望[J].科技传播，2019，11（05）：142-144.

[6]袁伟，郎璞，张孙嘉，赵洁，姚寿文.虚拟环境下面向装配培训的人机交互技术[J].兵器装备工程学报，2018，39（12）：187-191.

[7]戴家树，严楠，刘涛，谷灵康.人工智能时代的“人机交互技术”课程教学改革研究[J].电脑知识与技术，2018，14（30）：146-148.

[8]王攀.面向电源装备的嵌入式人机交互技术设计与应用[D].华南理工大学，2018.

[9]杨城增，蒋红志，冯永强，杜春江.人机交互和全自动层析静校正技术的应用效果对比分析[J].物探与化探，2018，42（04）：745-752.

[10]熊巍.虚拟装配环境中面向用户体验的自然人机交互技术研究[D].华南理工大学，2017.

[11]李辰龙.虚拟现实系统中人机交互技术研究[D].浙江大学，2017.

[12]刘铁良.增强现实系统中人机交互技术研究[D].东北石油大学，2014.

作者简介：

方浩（1976-）男，本科，工程师，主要从事电力信息化管理及配网自动化管理工作。

（贵州电网有限责任公司贵阳供电局  贵州  贵阳  550000）