直覺交互界面與虛擬現(xiàn)實

劉國柱

摘要：為了研發(fā)更高水準的直覺交互界面，有必要引入虛擬現(xiàn)實技術，借助具備沉浸性、交互性和想象性的人機交互環(huán)境來獲得真正意義上的直覺體驗。通過特定的物理器件裝置，以及先進的手勢識別技術，使用者不必學習專門的操作命令，就可以與計算機進行交流并獲得實時的反饋，而獨特的沉浸式環(huán)境更能創(chuàng)造出人機一體的融合感。結果表明，虛擬現(xiàn)實技術有效地提升了用戶的體驗度，大大簡化了操作的復雜性，而且可以應用于從娛樂到專業(yè)制造等各種場合，是直覺交互界面的有力驅動平臺。

關鍵詞：直覺交互；人機交互；虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：J0-05 文獻標識碼：A

本文是在“人—計算機” 交互（Human-Computer Interaction）的意義上來談論“交互”。隨著計算機技術幾十年來突飛猛進的發(fā)展，計算機已經(jīng)完全進入了日常生活的方方面面，其影響無處不在，人機之間的互動操作問題也越發(fā)顯得重要。由于計算機尚未能擺脫馮·諾依曼體系的根本制約，與人類思維模式之間的鴻溝依然如同天塹，人機交互問題的一個重要著眼點就在于如何盡量地縮小人類使用者的操作模式與計算機的操作模式之間的差別。這意味著我們仍在不斷地摸索和探討，去提供更優(yōu)秀的交互界面，使人可以順暢地、高效率地與計算機進行對話。

一直以來，交互設計思維首要強調的就是以人為本，換而言之就是讓設計物適應人，而非人適應設計物。這種觀點在計算機還是國防機密的年代中顯得有些奢侈，人們只能痛苦地訓練自己去迎合機器（例如，使用完全機器式的編程語言與計算機交談）。在當下，相對廉價的個人計算機都可以提供可觀的計算能力，因此交互界面的設計原則也就順應了這樣的思路，去盡可能地將界面做得人性化，讓人用得舒服，而繁重的計算則交給計算機在幕后默默地處理。

正是在這樣的大背景下，“直覺”一詞吸引了大家的目光。畢竟相對于日常物件，計算機的交互界面還是太不人性了，依舊保持著冰冷的面孔。如果能將我們習以為常的動作引入與計算機的交互之中，在不知不覺中將完成與計算機的溝通，那么這樣的人機界面才能稱得上是以人為本。而在呈現(xiàn)直覺界面方面，新興的虛擬現(xiàn)實技術則提供了最有價值的工具。

本文正是擬探討直覺交互界面及其與虛擬現(xiàn)實技術間的關系，為了完成這樣的任務，首先我們要對人機交互意義上的直覺作出一個明確的定義，它實際上與大眾文化中的“直覺”概念有著相當?shù)牟顒e。之后我們將談論如何將上述意義上的直覺與虛擬現(xiàn)實結合起來，并提供具體的案例分析來支撐我們的探討。

一、直覺交互界面

直覺（Intuition）這個概念屬于大眾詞匯，但實際上不同的學科對直覺都有著不同的定義。本文研究的對象是人機交互，因此將在“憑著直覺去與計算機進行交互” （interaction with computer by intuition）這個上下文中去探討它。首先要注意到，交互是雙方面的，也即人與計算機在進行著雙向的互動，但直覺卻是人才能擁有的，也是僅僅用來修飾人的判斷與感覺的，因此直覺人機交互關心的是以人為中心的交互場景中各參與元素對人是否直覺。從人的角度考慮交互界面，這實際也就奠定了“以人為本”在理論上的基礎性質。

一般而言，人們對直覺的交互有著如下訴求：它不需要經(jīng)過有意識的思考便能做出。例如在翻動一頁書的時候，人不需要去有意識地考慮該用多大的力氣，手指該走怎樣的空間路線，或有意識地等待書頁翻動之后出現(xiàn)的非常規(guī)情況并作出反應，等等。在這個意義上，一本實體書的交互界面是直覺的。依據(jù)以上訴求，Blackler等人的研究指出，直覺是“基于已往經(jīng)驗的無意識的反應”[1]。這個定義強調了兩個要點：基于以往經(jīng)驗和無意識。關于直覺往往是無意識的（下意識的）舉動，這一點幾乎已成共識，這里就不再展開論述。需要厘清的是“基于已往經(jīng)驗”這一點。

在日常生活中，人們或許并不認為直覺與已往經(jīng)驗之間會有什么關聯(lián)。相反，許多人會認為，如果不需要經(jīng)驗就能進行某種操作，那么這種操作顯然更符合直覺。特別地，中國傳統(tǒng)文化中的“直覺”概念充滿了反智主義的特征，直接將“直覺”與“本能”聯(lián)系起來，往往意味著“不需要通過知識或經(jīng)驗便可以下意識地完成”。但這實際上是一種錯誤的觀點，它不但誤解了人的本能，而且未能認識到已往經(jīng)驗的真實存在及其影響。事實上，現(xiàn)代理論表明，人類絕大多數(shù)行動——簡單的或復雜的——都是后天習得的，并非先天刻印于腦中。如果僅憑本能，人幾乎無法完成什么人機交互操作：拿按鈕這種最簡單的人機界面元素來說，如果沒有事先通過各種例子認識到存在按鈕這種東西并且按下它之后會啟動某些關聯(lián)反應，使用者甚至都無法做出按下按鈕的行為?；蛘哂肒.R.Popper[2]的話來說，所有行動都承載著理論——后天習得的理論。

將直覺與已往經(jīng)驗聯(lián)系起來，這不僅揭示了直覺在人機交互中的真正面貌，而且指出了設計人機交互界面時的一條基礎準則：由于不同的人有著不同的生活經(jīng)驗與知識水平，那么他們的已有經(jīng)驗也是不同的，這也就意味著每種類型的人都有著他們對“直覺交互界面”的不同衡量標準。有一個簡單的例子可以說明這一點。

考慮一款在電腦上運行的收音機軟件，它的作用是播放網(wǎng)絡上的各類實時音頻流（包括傳統(tǒng)電臺的在線音頻流）。圖 1模擬半導體收音機的調頻指針窗口，從傳統(tǒng)眼光而論這樣的界面便是直覺的。然而，對于沒有用過半導體收音機的新一代年輕人而言，他們由于頻繁地接觸電腦，反而會覺得圖2的界面是直覺的，因為這樣的界面使用的是為電腦用戶所熟知的UI（User Interface，用戶界面）元素，包括菜單、按鈕、列表框和滾動條等等。

習慣半導體收音機操作的用戶多半用不慣新式界面，而習慣新式界面、沒使用過半導體收音機的用戶卻很可能對傳統(tǒng)界面不知所以。這個例子充分說明了，在考慮直覺交互界面的時候，必須考慮用戶群體的已往經(jīng)驗，依據(jù)不同的已往經(jīng)驗去斷定直覺因素。并不存在唯一的、普適的、通用的直覺界面，這給了設計師以極大的挑戰(zhàn)，但同時也是極大的創(chuàng)新動力。

此外，雖然直覺的定義沒有直接體現(xiàn)對審美的考慮，但審美和直覺顯然是互有關聯(lián)的[3]。由于直覺使用與交互過程中喚起的先前知識有關，那么審美判斷作為人類感知過程的起點之一，恰是誘發(fā)直覺的重要因素。一個富于美感的界面，可以抵消用戶使用過程中的不安感和隔膜感，并在潛意識上促使和鼓勵用戶做出交互行為并保證交互行為的持續(xù)性和統(tǒng)一性。上面的例子也表明，對于傳統(tǒng)用戶，設計精美、極富質感的模擬界面有效地抵消了傳統(tǒng)用戶對電腦軟件的不適感，方便他們使用，并且大大降低了潛在的學習成本。而對于年輕用戶，他們也可以在自己熟悉的控件界面中運作自如，拉近了老技術（傳統(tǒng)流媒體）與新技術間的距離。簡而言之，具備良好審美特性的直覺界面具有重要的價值與意義，體現(xiàn)了人機交互界面的發(fā)展趨勢。

二、直覺界面與虛擬現(xiàn)實

自上世紀70年代起，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術的發(fā)展異常迅猛，從專業(yè)研究到商業(yè)應用乃至家用娛樂都可見其身影。從根本上而言，虛擬現(xiàn)實恰是交互界面直覺化的總趨勢的一個反映，因為人機交互演進的內在邏輯在于，呈現(xiàn)和交互手段總在致力于讓用戶以更直觀、更自然、更簡便的操控方式去獲得更豐富、更多態(tài)、更實時的數(shù)據(jù)資源。

簡而言之，虛擬現(xiàn)實提供了一個具有沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）的虛擬數(shù)字富媒體環(huán)境；用戶不僅可以如同設身處地一般沉浸在它所提供的豐富多彩的虛擬環(huán)境中，更可以通過各種創(chuàng)新的途徑來與環(huán)境中的元素進行互動。沉浸性、交互性和想象性，正是虛擬現(xiàn)實的三個基本特征[4]：一是沉浸性，通過各種技術手段讓用戶產生“身臨其境”的感覺，包括視覺（利用人的立體視覺原理產生虛擬的三維縱深感）、聽覺（利用立體聲產生虛擬物體的方位感）、觸覺（通過力覺設備使用戶以為在與真實的物理實體打交道）等等；二是交互性，用戶可以實時地與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的各種物體進行互動操作，用戶的操作不再局限于傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標或游戲桿，還包括先進的數(shù)據(jù)手套、穿著式回饋服等等；三是想象性，給用戶呈現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實場景具有超越現(xiàn)實場景的特殊魅力，真正做到某種意義上的“心想事成”。

從虛擬現(xiàn)實的上述特征可以看出，它的基本出發(fā)點就是要超越傳統(tǒng)人機交互界面的非人性化的一面，不僅要讓用戶盡量溶入整個交互場景中（沉浸性），而且要讓用戶以更直覺的方式去操作計算機（交互性）：首先，虛擬現(xiàn)實技術能夠有效地將計算機交互界面直覺化，提供與日常場景盡量類似的界面，完全基于人類日常的視覺直覺。其次，虛擬現(xiàn)實技術能夠有效地消除人機交互之間的阻隔，讓用戶能夠通過日常的動作和行為與計算機交互。

從上文的概念分析可知，判定直覺程度要看與使用者本身的已知經(jīng)驗，而且使用情境和審美等其他因素也要考慮在內。虛擬現(xiàn)實技術本身提供了多種多樣的方法，但具體的構建和應用也要遵循這樣的準則。下一節(jié)將提供幾個應用案例來說明這些，并綜合討論如何真正地利用虛擬現(xiàn)實技術去設計直覺交互界面。

三、應用案例及討論

以虛擬現(xiàn)實技術為基礎的直覺交互界面被廣泛應用于各種層次、各種領域的實踐應用之中，其目標用戶群體不僅包括非專業(yè)人士（普通民眾），也包括熟悉計算機但希望尋求更直觀的交互操作方式的專業(yè)人士。對于前者，他們需要能夠盡量降低學習和記憶成本、兼或附帶娛樂趣味性的人機界面。而對于后者，操控感良好的直覺界面可以大大提升生產率和成品率，并推動整個生產流程的優(yōu)化。

日本大阪大學人機工程實驗室的伊藤雄一等人研發(fā)了ActiveCube（動態(tài)積木）[5]，這個作品將直覺界面引入兒童和青少年認知學習及娛樂之中，并輔以虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設備以提升其應用價值。每個積木都是一個邊長五厘米的塑料立方體；積木里面有一塊可編程集成電路，控制著一系列可選的感應器或小型設備，包括超聲感應器（感知外界物體的接近）、坐標感應器（三維坐標的相對角度）、觸覺感應器（最多可裝兩個，每個可以感應八個方向的觸覺）、紅外感應器、燈和電動機等。因此，每個積木實際上已經(jīng)是一個獨立的玩具，可以感知環(huán)境并產生相應的動態(tài)行為。更絕妙的是，這些積木還能彼此連接，連接起來的各個部分之間也可以互相通信，構成整體行為。兒童使用者不需要額外教學就可以通過直覺使用它們。這樣的直覺操作界面，很好地避免了其內部的復雜結構對使用者的影響，小學低年級學生就可以獨立操作。

ActiveCube的一大特色在于可以在虛擬現(xiàn)實場景里使用。在這種情形中，紅外感應器捕捉搭建好的積木形態(tài)，并將符合此形態(tài)的虛擬物品顯示出來。應用了虛擬現(xiàn)實技術之后，規(guī)整的積木可以任意變換成為植物、動物、日常器具等，不僅視覺效果有可觀的提升，還借此允許用戶進行進一步的玩耍和操控。

ActiveCube還可以在虛擬現(xiàn)實場景里使用。在這種情形中，紅外感應器捕捉搭建好的積木形態(tài)，并將符合此形態(tài)的虛擬物品顯示出來。由于ActiveCube本身只是一個簡單的立方體，其六面自由連接功能限制了表面的裝飾性，最后的拼裝效果不一定能吸引兒童用戶的興趣。而應用了虛擬現(xiàn)實技術之后，古板規(guī)整的積木可以任意變換成為植物、動物、日常器具等，不僅視覺效果有可觀的提升，還借此允許用戶進行進一步的玩耍和操控。在上面的例子中，外表相對簡陋的十字架形積木搖身一變，可成為精美的飛機，并隨著積木在實際環(huán)境中的位移而在現(xiàn)實設備上呈現(xiàn)相應的飛行軌跡。

另一個實例來自于工業(yè)設計領域。當下的設計師一般都有較高的學歷和較專業(yè)的計算機技能，但進行三維產品建模的時候，復雜的軟件界面依然是最重要的阻礙因素，更遑論鍵盤加鼠標的操控方式根本就與人手的自然行為大相徑庭，嚴重干擾了設計師的思維和創(chuàng)作習慣。荷蘭Delft大學工業(yè)設計工程團隊在這方面進行了大量研究，提出了新的解決方案，其關鍵就在于引入直觀的手勢來與計算機交互，于虛擬現(xiàn)實環(huán)境中完成建模工作[6-7]。

一般而言，手勢比面部表情和眼動更易于捕捉和識別，又比全身姿勢更易于實施（特別是在狹小空間中），因此比較受直覺界面研究者的青睞[8]409-420。但手勢也分為幾個細類，不一定都適合用于人機交互。Hummels指出了三類手勢，第一類是從計算機角度去定義的手勢，因而非常便于計算機識別，但需要使用者去刻意學習和掌握，稱不上直覺。第二類與之相反，指的是人類日常生活中的手勢，優(yōu)點是非常直觀，但計算機程序需要特別的設計才能對其進行識別。綜合了以上兩種類別之優(yōu)點而又盡量規(guī)避其不足的第三類手勢稱為描述性手勢，原本自身也有著應用范圍過窄的缺憾，但輔以虛擬現(xiàn)實技術，便可以成為有效的途徑以聯(lián)通設計師和計算機。

為了提高描述性手勢的效果，研究人員特地設計了一個虛擬現(xiàn)實實驗環(huán)境，見圖3。在此環(huán)境中，普通設計師作為被試，不受拘束地使用他們慣常的手勢進行設計創(chuàng)作，而這些以直覺為基礎揮舞出來的手勢被動作感應器記錄下來，最后進行統(tǒng)計分析。通過這樣的過程，研究人員能夠采集到和分析出最適合虛擬現(xiàn)實環(huán)境的直覺手勢。最后，對設計師而言非常直覺、對計算機而言又是相當便于識別的手勢方案即可得到確定。設計師在此系統(tǒng)中，可以像往常操作日常物體（膠泥或板材等）一樣與計算機輔助設計軟件進行人機對話，不僅直覺高效，而且得益于虛擬現(xiàn)實環(huán)境，整個設計流程形同真實體驗，大大提高了設計效率。

四、結論與展望

一直以來，“以人為本”都是人機交互設計領域的核心口號之一。但本文的分析指出，這絕不能是一句抽象的口號，而必須落實到具體的應用情境之中。另一方面，近年來關于“用戶體驗”的聲音不絕于耳[9]，它本質上也是“以人為本”的精神的一種體現(xiàn)，但這個提法也存在著過于含糊的缺點，導致了許多不同的理論都以它為邏輯基礎。實際上，只要明確了“人”（也即“用戶”）的特定性，問題也就解決了。既然不同的人和不同的用戶其自身情況多有差異，同樣著眼于“以人為本”或“增進用戶體驗”的產品，也就必須隨著人/用戶的不同而給出不同的解決方案，提供不同的交互界面，才能在交互過程中讓使用者滿意。

直覺概念得到了厘清，但這顯然并不意味著直覺交互設計的種種問題也就有了答案。如何讓某種交互界面更少地占用使用者的邏輯意識（也即做到“無意識地或下意識地被使用”），以及如何明確地定性定量分析特定用戶的已往經(jīng)驗，并以之支持交互界面的設計，這依然是非常復雜的問題。幸而在各領域學者的努力下，此領域已有許多成功的理論或實踐得以依循。在這方面最重要的一項就是關于直覺交互中的手勢問題，它旨在解決人機交互場景中用什么有效的手勢去操作計算機。由于手勢不受傳統(tǒng)輸入設備的限制，它天然地與虛擬現(xiàn)實技術結合在一起[8]409-420。此外，針對現(xiàn)在方興未艾的商業(yè)以及家用娛樂虛擬現(xiàn)實應用，直覺交互界面也是其中的研發(fā)熱點。限于研究的深度及文章篇幅，本文遺憾地未能在這些方面展開論述，希望能在后繼研究中逐步展開。

最后要強調的是，隨著普適計算（ubiquitous computing）這個概念在強大的計算機硬件的支持下漸漸變?yōu)楝F(xiàn)實，設計和實現(xiàn)各種直覺交互界面已成為人機交互的核心任務。普適計算要求計算機設備可以感知周圍環(huán)境的變化并執(zhí)行相應的任務，在這一過程中如果交互界面做不到直覺易用，那么其計算機人性化的核心價值也就無從體現(xiàn)了。由此，直覺交互界面的理論與實踐必將日益凸顯其無比的重要性和關鍵性。

[參考文獻]

[1] Blackler A，Popovic V，Mahar D.Investigating users' intuitive interaction with complex artefacts[J].Applied Ergonomics，2010，41（1）：72-92.

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[3] Naumann A，Hurtienne J，Israel J H，et al.Intuitive use of user interfaces： defining a vague concept[M]∥HARRIS D.Engineering Psychology and Cognitive Ergonomics.Berlin：Springer-Verlag，2007：128-136.

[4] Alonso M A G，Gutierrez M A，Vexo F，et al.Stepping Into Virtual Reality[M].New York： Springer-Verlag New York Inc，2008.

[5] Watanabe R，Itoh Y，Kawai M，et al.Implementation of ActiveCube as an intuitive 3D computer interface[M]∥Butz A，Olivier P.Smart Graphics. Berlin： Springer，2004：43-53.

[6] Hummels C，Overbeeke C J. Kinaesthesia in synaesthesia：the expressive power of gestures in design[C]∥Design and semantics of form and movement.Eindhoven：Eindhoven University of Technology，2006：34-41.

[7] Hummels C，Smets G，Overbeeke K.An Intuitive T-wo-handed Gestural Interface for Computer Supported Product Design： International Gesture Workshop[C].Bielefeld：Springer Verlag，1998.

[8] Nielsen M，Strring M，Moeslund T B，et al.A procedure for developing intuitive and ergonomic gesture interfaces for HCI[M]∥Gamurri A，Volpe G.Gesture-Based Communication in Human-Computer Interaction.Berlin：Springer，2004：409-420.

[9] Garrett J J.The elements of user experience[M].Berkeley，CA：New Riders，2002.

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