涉及人體交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)脈絡(luò)

陳新宇

【摘要】人機(jī)交互是指人機(jī)之間互相施加影響，交換信息的方式，是聯(lián)系人和機(jī)器之間的橋梁和紐帶。狹義上的人機(jī)交互主要是指人和計(jì)算機(jī)的信息交換。早期人們主要關(guān)注機(jī)器硬件設(shè)備性能的提高，從而忽略了人機(jī)交互的重要性。隨著晶體管的發(fā)明和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的逐漸成熟，尤其是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，使得人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到人機(jī)交互設(shè)計(jì)的重要性。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展以及人類對(duì)各種機(jī)器需求的多層次、多方位化，傳統(tǒng)的一維、二維人機(jī)交互方式將逐漸被淘汰掉，新技術(shù)的出現(xiàn)必將導(dǎo)致嶄新的、更加自然和諧的人機(jī)交互方式和人機(jī)界面的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】人機(jī)交互;虛擬現(xiàn)實(shí);信號(hào);視覺;顯示;控制

一、概述

目前對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚無嚴(yán)格的界定，但可以這樣來概括它的技術(shù)內(nèi)容：VR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)產(chǎn)生逼真的視、聽、觸、力等三維感覺環(huán)境，形成一種虛擬世界。通過專門的交互裝置（特制的眼鏡、頭盔、手套或環(huán)境中的傳感器等），用戶可根據(jù)自身的感覺，使用人的自然技能對(duì)虛擬世界中的客體進(jìn)行考察或操作，參與其中的事件，并使參與者“沉浸”于模擬環(huán)境中，從根本上改變?nèi)藱C(jī)之間的隔閡。這種技術(shù)提供了一種全新的人機(jī)交互方式和概念，即包括視覺、聽覺、觸覺等多維的自然交互手段。虛擬交互人機(jī)界面成為未來人機(jī)界面發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)。

二、人機(jī)交互的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)脈絡(luò)

（一）頭部追蹤交互

1.技術(shù)實(shí)現(xiàn)

頭戴式顯示裝置（Head Mounted Display，HMD），是一種佩戴在頭部、將微縮圖像直接投射于視網(wǎng)膜上，進(jìn)而于觀看者眼中呈現(xiàn)大屏幕圖像的裝置。它形如眼鏡，其工作原理，就是通過一組光學(xué)系統(tǒng)放大超微顯示元件上的圖像。作為一種新型的便攜式顯示器，HMD將視覺效果和使用便捷性進(jìn)行了很好的結(jié)合，除了用于休閑娛樂的影視觀賞、游戲之外，在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。

2.專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖1是頭部軌跡輸入裝置在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用的在國內(nèi)近10年的專利申請(qǐng)量?？梢钥吹綄＠暾?qǐng)量從2009年開始有少量申請(qǐng)，并且逐年遞增，在近幾年由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)處于風(fēng)口浪尖，各大科技公司以及高校都爭相研究，成為熱門的研究風(fēng)口，因此，在2015—2016年之間，該領(lǐng)域的申請(qǐng)量達(dá)到指數(shù)級(jí)的增長。其對(duì)應(yīng)的CPC分類號(hào)為G06F3/012（頭部軌跡輸入裝置），在該定義范圍內(nèi)，頭部軌跡被解釋為包括臉部檢測和軌跡。

（二）視覺交互

1.方案特點(diǎn)

視線追蹤/眼動(dòng)追蹤對(duì)于用戶行為理解和高效人機(jī)交互具有重要意義。人類可感知信息中超過80%的部分由人眼接收，而其中超過90%的部分由視覺系統(tǒng)處理。因此，視線是反映人與外界交互過程的重要線索。目前的解決方法大多基于主動(dòng)光源和紅外攝像，因此需要額外的硬件，并且對(duì)使用環(huán)境要求較高。

2.專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖1是視覺軌跡輸入裝置在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用的在國內(nèi)近10年的專利申請(qǐng)量?？梢钥吹綄＠暾?qǐng)量從2009年國內(nèi)已經(jīng)有一定的申請(qǐng)，起步比頭戴虛擬裝備要早，并且逐年遞增，在近幾年也是逐年呈線性增長，表明國內(nèi)對(duì)視覺交互技術(shù)的研究近10年從未間斷，一直保持著不斷的研究投入和產(chǎn)出。其對(duì)應(yīng)的CPC分類號(hào)為G06F3/013（視覺軌跡輸入裝置），在該定義范圍內(nèi)，視覺軌跡被不僅包括眼睛軌跡，還包括視線軌跡。

（三）數(shù)據(jù)手套交互

1.方案特點(diǎn)

數(shù)據(jù)手套是虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的重要組成部分，是一種通用的人機(jī)接口，其直接目的在于實(shí)時(shí)獲取人手的動(dòng)作姿態(tài)，以便在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)人手動(dòng)作，達(dá)到理想的人機(jī)交互目的。

2.專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

圖1是手戴的輸入/輸出裝置，例如數(shù)據(jù)手套在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用的在國內(nèi)近10年的專利申請(qǐng)量。可以看到專利申請(qǐng)量從2009年國內(nèi)有少量申請(qǐng)，并且申請(qǐng)量雖然逐年遞增，但是總量依舊不大，并且在2012年申請(qǐng)量還有所下降，隨后在2015—2016年間申請(qǐng)量有較大增加。其對(duì)應(yīng)的CPC分類號(hào)為G06F3/014（數(shù)據(jù)手套），在該定義范圍內(nèi)，同樣包括手戴鍵盤。

（四）基于神經(jīng)中樞系統(tǒng)的交互

1.方案特點(diǎn)

在康復(fù)領(lǐng)域內(nèi)的人機(jī)交互系統(tǒng)里，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的信息源多為人體生物信號(hào)。尋找穩(wěn)定完備的信息源應(yīng)用到人機(jī)交互系統(tǒng)中是當(dāng)今的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。到目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同控制信號(hào)源的選擇和嘗試。例如：肌電信號(hào)（Electromyography，EMG）、腦電信號(hào)（Electroencephalography，EEG）、聲音信息源、延伸生理本體感覺信息源、肢體肌肉周徑變化信息源、肢體殘端再造指控制信息源、肢體機(jī)械運(yùn)動(dòng)信息源、肌腱信息源、腦磁信息源等。圖1是基于神經(jīng)中樞系統(tǒng)的交互，例如通過腦電信號(hào)在虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用的在國內(nèi)近10年的專利申請(qǐng)量。

三、結(jié)語

從行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前處于高速發(fā)展的階段，大量國際大型企業(yè)涉足該領(lǐng)域，印證了該領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?。通過分析專利活動(dòng)主體的類型，可以看到企業(yè)型專利活動(dòng)主體一直主導(dǎo)著虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的發(fā)展，中國的主體類型構(gòu)成明顯異于其他國家，以院校型主體為主，說明在中國虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要處于研究型。當(dāng)然，專利技術(shù)的集中性研發(fā)也會(huì)使我國主體相較于他國主體更為專精和專業(yè)，因此在諸如圖像信息處理和數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)等特定的細(xì)分領(lǐng)域，更容易取得高新成果，形成我國的研究特色。