分析虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)中基于手勢的人機交互

摘 要：虛擬現(xiàn)實是對三維環(huán)境的計算機模擬。本文為對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互技術(shù)進行研究，詳細敘述人機交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實人機交互技術(shù)理論，并以此為基礎(chǔ)，展開對虛擬環(huán)境人機交互問題分析，梳理虛擬環(huán)境本身特點，提出虛擬環(huán)境中人機交互技術(shù)方式、碰撞算法等關(guān)鍵問題，最后再對虛擬現(xiàn)實技術(shù)下人機交互運行機制實踐進行研究，闡明當前人機交互技術(shù)不足之處，并對未來虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互技術(shù)發(fā)展提供方向。全文通過對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互技術(shù)研究，意識到人機交互和諧重要性以及人機交互技術(shù)對未來科技發(fā)展關(guān)鍵性，從而在推動人機交互技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新的同時，更好推動科技進步與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實系統(tǒng);虛擬場景;人機交互技術(shù);研究

虛擬現(xiàn)實是由計算機生成的系統(tǒng)。具有沉浸感、交互性以及構(gòu)想性等特征。人機交互技術(shù)對推進虛擬現(xiàn)實廣泛應(yīng)用和提高用戶體驗有著非常重大的意義[1]。交互性使用戶與虛擬環(huán)境建立雙向感。人機交互是實現(xiàn)虛擬走向應(yīng)用的關(guān)鍵。虛擬現(xiàn)實在軍事、醫(yī)療、航空航天、教育以及遠程控制等方面都起到關(guān)鍵作用，未來，這種技術(shù)很有可能改變世界，與人成為一個共生體一起生活[2]。

1.理論基礎(chǔ)

1.1人機交互技術(shù)

計算機剛誕生，交互通常采用開關(guān)、指示等二進制機器語言進行。 70年代后期，出現(xiàn)圖形化界面，又稱WIMP界面，即窗口、圖標、菜單和指點裝置 [3]。

1.2虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在眾多技術(shù)和算法支撐作用實現(xiàn)飛速發(fā)展。2016年，虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為各行各業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，與之相關(guān)應(yīng)用層出不窮[4]。我們可使用三維交互式動態(tài)現(xiàn)實來創(chuàng)建虛擬世界，讓人有身臨其境之感。

1.3虛擬現(xiàn)實人機交互技術(shù)

虛擬現(xiàn)實和人機交互技術(shù)結(jié)合可獲近乎真實交互體驗;如，不具備物理實物，采用虛擬現(xiàn)實設(shè)備搭建預(yù)期模擬場景;也可不改變硬件設(shè)備，模擬出物理實物。虛擬現(xiàn)實人機交互技術(shù)中如何將人機交互更自然、直觀的使用在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中是該技術(shù)的重點工作[5]。

2虛擬環(huán)境人機交互問題分析

2.1虛擬環(huán)境本身的特點

（1）虛擬環(huán)境的分布性

分布式虛擬現(xiàn)實，簡稱DVE。在DVE系統(tǒng)中考慮因素較多，如：支持協(xié)同工作、使用Internet網(wǎng)和ATM網(wǎng)、限時計算機技術(shù)保證實時效應(yīng)、對系統(tǒng)中幾何模型數(shù)據(jù)進行管理以及將人工智能引入DVE系統(tǒng)中都可作為該系統(tǒng)的未來發(fā)展方向[6]。

（2）虛擬環(huán)境的并發(fā)性

并發(fā)性體現(xiàn)在兩方面，一是多個用戶各自執(zhí)行任務(wù)構(gòu)成并發(fā)，二是虛擬環(huán)境中，多個對象自主行為序列之間構(gòu)成并發(fā)。所謂虛擬環(huán)境的并發(fā)性，是在其內(nèi)部有一個獨立控制流，并發(fā)條件下，對象可接受多個輸入流，也可在內(nèi)部存在多個線程，運作過程中對并發(fā)采取有效的控制，可促進系統(tǒng)預(yù)期任務(wù)的完成[7]。

（3）虛擬環(huán)境的交互性

虛擬環(huán)境是一種特殊環(huán)境，可利用特殊裝置，投射到虛擬環(huán)境中。虛擬環(huán)境將用戶與計算機看作一個整體，將原本抽象化信息可視化。交互性除人機交互，還包括人與對象之間交互以及組建和對象之間彼此交互。

2.2虛擬環(huán)境直接操作人機交互的關(guān)鍵問題分析

（1）人機交互方式研究

虛擬環(huán)境在傳感技術(shù)局限下，準確性與真實性仍然存在差異。為解決這一問題，一是利用觸覺交互實現(xiàn)真實感提升。觸覺交互可實現(xiàn)用戶與計算機的雙向交互。二是多傳感器通道信息融合算法，人機交互用戶模型及靜態(tài)和動態(tài)建模，這些算法的出現(xiàn)是為解決上述中視覺計算的問題，算法的出現(xiàn)讓虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)得到提升。

（2）碰撞檢測

碰撞問題中包含兩個內(nèi)容，一是碰撞檢測，二是碰撞響應(yīng)。后者又屬于力學(xué)研究范圍，關(guān)于碰撞問題所涉及到的應(yīng)用很廣泛，在二維平面和三維空間進行碰撞檢測，所遇到的問題是完全不同的，難度上三維物體的構(gòu)造更復(fù)雜，碰撞檢測算法也更困難[8]。

3.虛擬現(xiàn)實技術(shù)下人機交互運行機制實踐研究

3.1三維計算機圖形技術(shù)

在計算機中生成復(fù)雜高精準度三維圖形較困難。如不對其精準度要求，用戶在虛擬空間行為定位會產(chǎn)生偏差。三維計算機圖形技術(shù)，需在不同光照角度，物體發(fā)生視覺轉(zhuǎn)化。在空間移動頻次實時刷新時，圖像信息也必須隨之刷新，還要保障輸出質(zhì)量，只有這樣人機交互模式才能達到預(yù)期效果。

3.2廣角立體顯示技術(shù)

用戶接受視覺信息相對有限，終端上呈現(xiàn)也僅是雙眼焦距能適應(yīng)的范圍，虛擬物體距離與大小比較適中，這種狀態(tài)一直持續(xù)到IMAX技術(shù)出現(xiàn)之前[9-10]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)下，雙目立體視覺得到增強，用戶視野拓寬后，動態(tài)觀察視覺廣度與環(huán)境認知得到提升，人機交互沉浸感明顯增強。

3.3立體聲聽覺效果與感知反饋信息

人機交互效果增強中，立體聲效是基礎(chǔ)條件。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可感受到不同立體聲效實時輸出，方向感較強。當前虛擬現(xiàn)實在聽覺感知在方位判斷位移效應(yīng)上較差。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中除聽覺效果，觸覺上也很重要。當前技術(shù)的不斷更新，用戶可通過數(shù)據(jù)手套來感知虛擬事物的光滑度，振動感等，這種模擬觸覺是人機交互感知得到進一步加強[11]。

4.總結(jié)

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使各行業(yè)領(lǐng)域迎來新的生機與活力。尤其是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中人機交互技術(shù)，確實讓人們的生活發(fā)生巨大的改變[12]。

未來虛擬現(xiàn)實環(huán)境下人機交互技術(shù)必將面臨更多挑戰(zhàn)，必須研究虛擬現(xiàn)實與人機交互，人的視覺機制與自然人機交互的理論和方法，建立各種人機技術(shù)的標準和規(guī)范，以使虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的指標更具邏輯性。

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作者簡介：

方浩（1976-）男，本科，工程師，主要從事電力信息化管理及配網(wǎng)自動化管理工作。

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽供電局 ?貴州 ?貴陽 ?550000）