VR環(huán)境中手部動(dòng)作自然交互體驗(yàn)研究

曾人杰 章立

關(guān)鍵詞：VR;手部動(dòng)作識(shí)別;自然交互

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2021）21-0-03

0 引言

在新媒體技術(shù)高速發(fā)展的今天，相應(yīng)的硬件技術(shù)水平也在不斷提升，VR在這一大背景下逐漸民用化、普及化。作為一種新興的信息呈現(xiàn)載體，VR能夠在視聽方面帶來極強(qiáng)的交互體驗(yàn)感，使用戶在感官上獲得真實(shí)的體驗(yàn)。隨著VR設(shè)備的更新，它們的交互手段也正朝自然交互的方向邁進(jìn)，用戶可通過自身的手部動(dòng)作與虛擬場景進(jìn)行交互，仿佛置身于“第二世界”中。

因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)法則不能照搬到這種具備三維特性的交互終端中，設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)尋求符合具體情況的設(shè)計(jì)方法增強(qiáng)用戶與虛擬環(huán)境之間的聯(lián)系，使用戶在虛擬環(huán)境中獲得沉浸、自然的交互體驗(yàn)。

1 自然交互的定義與特點(diǎn)

1.1 自然交互的定義

在人機(jī)交互的發(fā)展過程中，如何使人機(jī)之間的溝通變得更加便捷有效是設(shè)計(jì)師們一直以來的研究方向。隨著研究內(nèi)容的日漸豐富與成熟，“愉悅”與“自然”的要求被提出，自然交互的概念便由此形成。在自然交互的過程中，用戶的交互行為是下意識(shí)的、本能的，是不需要學(xué)習(xí)或簡單學(xué)習(xí)即可掌握的交互方式[1]。它能顯著降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷與學(xué)習(xí)成本，使交互過程變得高效而又具備良好的體驗(yàn)感。

1.2 自然交互的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的交互方式所需的學(xué)習(xí)成本相比，自然交互所需的學(xué)習(xí)成本更低。它貼近用戶的日常生活，緊密結(jié)合用戶本身的自然屬性，以一種自然而然的方式指導(dǎo)用戶完成交互行為，與基于平面、屏幕等介質(zhì)的交互行為相比，自然交互具備以下三方面的特點(diǎn)。

1.2.1 交互方式自然化

由于自然交互的行為更加貼近用戶日常生活習(xí)慣，其在交互介質(zhì)的種類上會(huì)更加自然，它呈現(xiàn)出一種由機(jī)器到人體的發(fā)展趨向，但這并不是對(duì)介質(zhì)屬性的強(qiáng)制規(guī)定，而是對(duì)介質(zhì)整體發(fā)展趨勢(shì)的說明。以自然介質(zhì)為主，輔助設(shè)備等機(jī)器介質(zhì)為輔，自然交互的最終目的并不是“去機(jī)器化”，而是兩者的自然統(tǒng)一。

1.2.2 學(xué)習(xí)成本輕量化

用戶在進(jìn)行交互行為前需要掌握交互方法，而自然交互所需要的學(xué)習(xí)成本在理論上趨近于無。這是因?yàn)橛脩粼谧匀唤换ミ^程中進(jìn)行的學(xué)習(xí)實(shí)際上在日常生活中便已完成。

1.2.3 交互體驗(yàn)沉浸化

自然交互體驗(yàn)緊密結(jié)合了真實(shí)感受，這與自然交互過程中充分利用用戶的自然屬性分不開。用戶在對(duì)象給予的反饋中，能夠獲得如同生活場景般的體驗(yàn)[2]，這是交互行為的日?；⒔换ナ侄蔚谋憷?、交互反饋的及時(shí)化等因素帶來的綜合結(jié)果，能夠極大地增強(qiáng)用戶在交互體驗(yàn)過程中的沉浸感。

2 VR中自然交互媒介與技術(shù)特征

2.1 VR中常用交互媒介

VR的相關(guān)概念早在20世紀(jì)30年代的短篇科幻小說《皮格馬利翁的眼鏡》中便被提出。隨后50年，第一個(gè)VR原型機(jī)與以計(jì)算機(jī)圖形所驅(qū)動(dòng)的VR設(shè)備相繼出現(xiàn)，為VR設(shè)備的運(yùn)作形式定下了基調(diào)。而如今VR技術(shù)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，VR設(shè)備對(duì)于用戶而言是一種可交互的新媒體設(shè)備，相應(yīng)的交互媒介也得到了發(fā)展。

早期VR設(shè)備價(jià)格昂貴，但隨著軟件與硬件的不斷迭代，其平價(jià)化、民用化的基礎(chǔ)已然具備。2012年，Oculus Rift這一VR設(shè)備驚艷亮相，為民用的消費(fèi)級(jí)VR設(shè)備大規(guī)模涌入市場打開了大門。此后，VR技術(shù)的發(fā)展浪潮不斷襲來，在經(jīng)歷了市場優(yōu)勝劣汰后，VR設(shè)備的交互媒介走向了多樣化的時(shí)代。

目前在商業(yè)運(yùn)用上較為成熟的VR交互設(shè)備有HTC VIVE、Oculus等。它們常用的交互媒介有VR體感手柄、觸摸板與按鍵[3]。

第一，VR體感手柄。基于VR設(shè)備在交互上的特殊性，其許多交互行為須利用體感手柄操控，不同品牌廠商所生產(chǎn)的設(shè)備在外觀上會(huì)有些許區(qū)別，但基本上都是集成了各類感觸元件的定制型交互媒介。

第二，觸摸板及按鍵。這是一種一體式的簡化版本VR設(shè)備所使用的交互媒介，通過V設(shè)備鏡上的按鍵、觸控板與頭控光標(biāo)來完成交互操作，這也是當(dāng)前智能設(shè)備最常用的方式。

2.2 VR中自然交互媒介

目前，VR技術(shù)已能在視聽上實(shí)現(xiàn)虛擬世界的構(gòu)建，但在信息輸入方式上仍需通過控制器執(zhí)行，這使交互的層級(jí)上嵌套了一次額外進(jìn)程，無疑讓交互過程變得煩瑣，從而使用戶產(chǎn)生阻塞感。因此尋求一種更加自然有效的交互方法便成了當(dāng)前VR體驗(yàn)研究的前進(jìn)方向，而使用雙手進(jìn)行交互無疑符合這一要求。

當(dāng)今市面上不少VR設(shè)備在頭顯上安裝了雙目攝像頭，它們能夠捕捉手部動(dòng)作的深度信息，利用雙目立體視覺成像的方法，建立手部的立體模型，以此識(shí)別手部動(dòng)作。自此，手部動(dòng)作識(shí)別作為一種自然形式的交互媒介，加入了VR的大家庭。

對(duì)于用戶來說，這種附帶自然屬性的交互媒介學(xué)習(xí)成本低、使用場景靈活且符合交互直覺，與目前市場上常用的交互媒介相比，手部動(dòng)作識(shí)別交互所需的層級(jí)少，用戶體驗(yàn)最自然，愉悅度高。

2.3 VR技術(shù)特征的自然交互屬性

1957年，VR原型機(jī)Sensorma以一種街機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)，它利用特殊座椅結(jié)合氣味與聲音等元素創(chuàng)造沉浸感，而1968年“達(dá)摩克利斯之劍”則能與虛擬對(duì)象互動(dòng)，VR的技術(shù)特征在此初見端倪。在1993年的世界電子年會(huì)上，美國科學(xué)家Burdea G.和Philippe Coiffet共同發(fā)表了《虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及其應(yīng)用》，這一文章對(duì)VR技術(shù)特性作出了總結(jié)，即交互性、沉浸感和構(gòu)想性[4]，三者互相影響且互相依賴，并具備相應(yīng)的自然交互屬性。

2.3.1 交互性

與其他可交互終端相比，VR在交互性上具備天然的優(yōu)勢(shì)，它能夠通過傳感器獲得用戶的相關(guān)信息，這使VR能夠捕捉用戶的訴求并響應(yīng)用戶的行為，最終在知覺上順應(yīng)用戶生活經(jīng)驗(yàn)。因此，VR的交互性特征天然攜帶了自然交互屬性。

2.3.2 沉浸感

VR的沉浸感是其他終端無法比擬的。其頭顯內(nèi)置觀測(cè)口不僅放大了觀察范圍，還將圖像渲染得適配肉眼，從而產(chǎn)生立體縱深感，再結(jié)合陀螺儀與定位器確定用戶的頭部物理空間，兩者結(jié)合以營造出三維空間感。這使用戶能夠在自然交互流程中獲得極強(qiáng)的沉浸式體驗(yàn)，也使設(shè)計(jì)師們能夠?qū)⒕性诮换シ椒ǖ脑O(shè)計(jì)上，從而進(jìn)一步提升用戶的交互體驗(yàn)[5]。

2.3.3 構(gòu)想性

自書籍時(shí)代至互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，用戶獲取的信息幾乎都是二維的，以往的幻想體驗(yàn)多是用戶憑借自身的想象力構(gòu)造的，而VR卻能憑借自身特性營造出一個(gè)可探索溝通的虛擬環(huán)境，這為探索自然交互體驗(yàn)的邊界提供了足夠的便利。

3 手部動(dòng)作識(shí)別在VR中的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

3.1 手部動(dòng)作自然交互中常用手勢(shì)及含義

日常生活中的手部動(dòng)作除了具備物理性的生活行為功能，還具備信息表達(dá)的功能，如手語、戰(zhàn)術(shù)手勢(shì)。在日常生活中常用的單手動(dòng)作有觸、抓、推、握、揮、捏、甩、滑，雙手動(dòng)作有拱手、搓手、捧手、拍手、參拜。常用的正面含義的手勢(shì)有OK、點(diǎn)贊、劍指、比心、鼓掌，負(fù)面含義有倒彩、擺手、伸中指、伸小指、打叉。因?yàn)樘摂M環(huán)境中手部動(dòng)作導(dǎo)向的目的更多，與提示UI交互的動(dòng)作也需要被考慮到，根據(jù)具體場景使用不同，可將動(dòng)作分為UI型：點(diǎn)、滑、抓、摸、捏、握、揮、拍;虛擬物體交互型：觸、抓、推、參拜、雙手抓取、搓手、拱手。

3.2 VR中手部動(dòng)作交互優(yōu)勢(shì)

在VR技術(shù)構(gòu)建的虛擬環(huán)境中，用戶需要花費(fèi)時(shí)間學(xué)習(xí)新的交互方法，而這段學(xué)習(xí)時(shí)間會(huì)降低沉浸感，這是“熟悉的場景”與“不熟悉的交互方式”的沖突造成的。而將手部動(dòng)作交互融入VR中便能有效解決這個(gè)問題，即通過降低學(xué)習(xí)成本將虛擬環(huán)境中由交互方式不同所帶來的割裂感消除。

4 VR環(huán)境中手部動(dòng)作自然交互設(shè)計(jì)策略

4.1 沉浸式的視覺環(huán)境設(shè)計(jì)

在VR中，適當(dāng)?shù)囊曈X設(shè)計(jì)必不可少。設(shè)計(jì)師應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)前需求對(duì)美術(shù)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。寫實(shí)級(jí)別場景需要高度擬真與還原的美術(shù)資源，在擺設(shè)與燈光上也應(yīng)當(dāng)做到貼近實(shí)物;而幻想、輕松、子供向的場景則可以采用Low Poly、三渲二風(fēng)格的美術(shù)資源。無論何種需求，整體的視覺環(huán)境應(yīng)當(dāng)符合主題，統(tǒng)一而合理，才能營造出一種沉浸式的虛擬環(huán)境。

4.2 預(yù)見性的交互動(dòng)作設(shè)計(jì)

前文提到，手部動(dòng)作具備信息表達(dá)與交流功能，這在手部動(dòng)作的自然交互中十分重要。在虛擬場景里，相應(yīng)的動(dòng)作預(yù)設(shè)計(jì)需要足夠細(xì)心[6-7]。設(shè)置好 “對(duì)虛擬物體”與“對(duì)系統(tǒng)及UI”動(dòng)作，前者應(yīng)貼近現(xiàn)實(shí)生活，自然而然，后者則需要一定的學(xué)習(xí)成本，本身具備一定含義的手勢(shì)最佳。如呼出菜單，這一行為可用“輕拍手兩次”定義，“輕拍手”本身便具有“呼叫”“吸引注意”“提示”等含義，將其定義在呼出菜單上是比較合適的。

4.3 簡明化的層級(jí)與展示設(shè)計(jì)

模擬場景中的交互層級(jí)應(yīng)當(dāng)明確而簡潔。明確每個(gè)可交互對(duì)象的功用，拋棄無用與繁雜的層級(jí)，用戶的交互反饋應(yīng)當(dāng)及時(shí)而醒目，形式應(yīng)當(dāng)多樣且適宜。由于VR手部動(dòng)作捕捉需要在傳感器范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)，因此在虛擬體驗(yàn)的過程中，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)用戶將手伸向眼前，并將可交互物體與界面集中在頭部正前方，盡可能將相關(guān)操作以日常生活中的行為展現(xiàn)，兩者需要有相似之處，才能使用戶使用日常生活中的經(jīng)驗(yàn)來代替學(xué)習(xí)成本，以獲得更加自然的沉浸式體驗(yàn)。

4.4 面向用戶的適配設(shè)計(jì)

用戶初次進(jìn)入虛擬環(huán)境時(shí)，需要進(jìn)行多種學(xué)習(xí)活動(dòng)來掌握當(dāng)前場景的必要知識(shí)。在學(xué)習(xí)過程中，UI高度、音量大小、物體比例、視點(diǎn)高度均會(huì)影響用戶的體驗(yàn)。因此，根據(jù)用戶個(gè)體差異進(jìn)行配置適應(yīng)，是在用戶正式體驗(yàn)虛擬場景前必不可少的流程，設(shè)計(jì)流程如下。

第一，音量調(diào)整：使用語音指示用戶調(diào)整當(dāng)前音量，獲取用戶最舒適的音量大小。

第二，身高獲?。涸O(shè)置140～165 cm、166～175 cm、176～190 cm三種高度的門洞，語音提示用戶選擇適配門洞。

第三，視點(diǎn)獲?。焊鶕?jù)當(dāng)前進(jìn)入的門洞級(jí)別設(shè)置偏高、適中、偏低三種高度的視點(diǎn)，提示用戶選擇感覺最習(xí)慣的一項(xiàng)。

第四，利手獲?。航Y(jié)合視點(diǎn)設(shè)置簡單的物體抓取任務(wù)，獲取當(dāng)前用戶的慣用手，并據(jù)此設(shè)置后續(xù)提示UI的偏向。

4.5 反饋機(jī)制設(shè)計(jì)

大部分用戶很可能是只有過幾次VR體驗(yàn)的新手，因此相應(yīng)的提示與反饋措施便顯得格外重要。

第一，位移提示。用戶意識(shí)不到自身能夠在特定范圍內(nèi)行走，當(dāng)遇到超過自身臂展的交互對(duì)象時(shí)，會(huì)陷入迷茫，并嘗試彎腰/側(cè)身以觸碰對(duì)象。這需要在前期預(yù)置的教學(xué)內(nèi)容中進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，鼓勵(lì)用戶位移并在正式體驗(yàn)關(guān)卡中增加相應(yīng)提示，可大大減少此類情況發(fā)生。

第二，檢視提示。用戶在體驗(yàn)流程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)對(duì)當(dāng)前對(duì)象有交互需求，但設(shè)備未顯示雙手而導(dǎo)致進(jìn)程卡頓的情形。這多是因?yàn)橛脩綦p手脫離了設(shè)備的識(shí)別范圍，而此時(shí)用戶沒有自我檢視雙手是否處于設(shè)備識(shí)別范圍的意識(shí)。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)盡量避免導(dǎo)致用戶雙手脫離識(shí)別范圍的設(shè)計(jì)，如不可避免，則需要設(shè)計(jì)檢測(cè)機(jī)制，實(shí)時(shí)提示用戶進(jìn)行自檢。

5 結(jié)語

VR技術(shù)的發(fā)展使相關(guān)設(shè)備的價(jià)格正朝越來越實(shí)惠的方向發(fā)展，與個(gè)人手機(jī)相似，VR設(shè)備終將在用戶中普及。而VR現(xiàn)有的交互形式中，手部動(dòng)作交互最符合用戶的自然交互特征，是VR交互媒介發(fā)展的方向，因此找到更加理想的基于手部動(dòng)作的交互方法便成了當(dāng)前的首要任務(wù)?；诖耍恼绿岢隽耸植縿?dòng)作自然交互體驗(yàn)的設(shè)計(jì)策略，探討在VR環(huán)境中提升用戶手部動(dòng)作交互體驗(yàn)的方法，為相關(guān)從業(yè)人員提供一套參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 申婧，陳亮，秦志南，等.基于用戶群習(xí)慣形態(tài)的自然交互設(shè)計(jì)研究[J]. 包裝工程，2017，38（20）：211-215.

[2] 張佳寶，肖東娟.基于自然交互的樂齡游戲設(shè)計(jì)策略研究[J].包裝與設(shè)計(jì)，2021（3）：138-139.

[3] 孫朝陽，許懋琦.移動(dòng)VR自然交互界面設(shè)計(jì)探究[J].設(shè)計(jì)，2017（23）：140-141.

[4] 龍彬，王峰.基于“轉(zhuǎn)移”概念的VR交互策略研究[J].包裝工程，2020，41（8）：198-202，212.

[5] 葉風(fēng). VR全景交互媒介特性與內(nèi)容設(shè)計(jì)方法[J].科技導(dǎo)報(bào)，2018，36（9）：61-65.

[6] 婁澤華，殷繼彬.人機(jī)交互中的手勢(shì)設(shè)計(jì)原則分析[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（4）：19-24，35.

[7] 楊文超，吳亞東，趙思蕊，等.三維環(huán)境手勢(shì)自然交互范式研究[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，31（1）：81-87.

作者簡介：曾人杰（1997—），男，湖南常德人，碩士在讀，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。

章立（1971—），男，江蘇無錫人，碩士，副教授，系本文通訊作者，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。