基于距離認(rèn)知的虛擬現(xiàn)實(shí)指點(diǎn)交互行為研究①

于佳雯,潘偉杰,呂 健,付文娟

(貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽 550025)

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的進(jìn)步、頭戴式顯示器(headmounted display,HMD)的普及,虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在外科、機(jī)艙安全程序安全培訓(xùn)、先進(jìn)制造系統(tǒng)、可用性評(píng)估等領(lǐng)域.用戶使用VR 系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的視覺眩暈、物體認(rèn)知誤差等問題也逐漸得到當(dāng)前研究者的關(guān)注.

人在虛擬環(huán)境中的空間認(rèn)知能力比在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中弱,這阻礙其獲得良好的交互體驗(yàn).研究表明,人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的距離判斷是準(zhǔn)確的,但是在VR 中尤其是HMD 界面中卻傾向于低估距離[1].有效的交互需要準(zhǔn)確的空間認(rèn)知,為解決虛擬環(huán)境中使用者距離認(rèn)知低估問題,相關(guān)學(xué)者嘗試從交互任務(wù)[2]與非視覺刺激[3]兩個(gè)角度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),并取得了較好的成果.空間環(huán)境提供的視覺線索已被證實(shí)對(duì)虛擬環(huán)境中的空間維度認(rèn)知具有改善作用,這表明將任務(wù)環(huán)境設(shè)計(jì)特征用于改善距離認(rèn)知具有可行性[4].通過調(diào)整視差和瞳孔間距[5]、像素化周邊幀[1]可改善虛擬環(huán)境中使用者的距離判斷.Knapp 等使用HMD 對(duì)比了視野受限和視野無限制兩種視野范圍,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,參與者的視野是否受限并不能對(duì)被試的距離認(rèn)知產(chǎn)生影響[6].Hornsey 等研究了單目視覺和雙目視覺下用戶的虛擬環(huán)境距離認(rèn)知差異[7].Vienne 等研究了VR 系統(tǒng)中屏幕距離對(duì)感知深度的影響[8].Li 等的研究表明,人在VR 中的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)其距離認(rèn)知沒有顯著影響[9].多種交互方式及距離判斷方法已被運(yùn)用到距離認(rèn)知準(zhǔn)確性的研究中[10].一些研究者采用不同顯示設(shè)備對(duì)比了人在VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)中距離認(rèn)知的差異[11].近期有研究表明,人在虛擬環(huán)境中對(duì)于目標(biāo)物體尺寸的認(rèn)知也存在低估問題[12].

以上研究通過交互任務(wù)設(shè)計(jì)、任務(wù)環(huán)境布置等手段改善了VR 環(huán)境中的空間認(rèn)知準(zhǔn)確性,但均未考慮到指點(diǎn)光標(biāo)類型與自我中心距離認(rèn)知的關(guān)系,且未結(jié)合三維指點(diǎn)任務(wù)進(jìn)行研究.本文從三維指點(diǎn)任務(wù)的角度出發(fā),通過分析被試的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度及目標(biāo)指點(diǎn)速度,研究指點(diǎn)光標(biāo)類型、自我中心距離以及三維指點(diǎn)任務(wù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.探討HMD 界面下指點(diǎn)光標(biāo)、自我中心距離和三維指點(diǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)自我中心距離認(rèn)知、目標(biāo)指點(diǎn)速度的影響.

1 VR 中的自我中心距離認(rèn)知

隨著VR 界面交互性的增強(qiáng)以及HMD的普及,用戶與界面的交互已經(jīng)由視覺發(fā)展到三維空間上的操控,因此,準(zhǔn)確認(rèn)知自我中心距離、選擇合適的指點(diǎn)光標(biāo)、設(shè)計(jì)合理的三維指點(diǎn)任務(wù)尤為重要.

自我中心距離是指以觀察者自身位置為中心到外部某一物體之間的深度距離,人在虛擬環(huán)境中對(duì)自我中心距離的認(rèn)知存在低估問題[13],如圖1所示,前人將此歸因于測(cè)量方法與技術(shù)[14]、圖形質(zhì)量低[15]等問題.且有研究證明,自我中心距離越長,距離認(rèn)知準(zhǔn)確度越低,距離低估越顯著[14].已有研究者將自我中心距離認(rèn)知區(qū)域劃分為以人為中心的3 個(gè)圓形區(qū)域:個(gè)人空間(150 cm 以內(nèi)),動(dòng)作空間(150 cm 至3 000 cm)和遠(yuǎn)景空間(超過3 000 cm)[16].當(dāng)前VR 應(yīng)用程序多圍繞個(gè)人空間構(gòu)建[17],因此本文研究的距離范圍為個(gè)人空間.自我中心距離認(rèn)知通?？稍谌说念~、側(cè)、橫向3 個(gè)平面進(jìn)行實(shí)驗(yàn),但由于額平面在虛擬環(huán)境中的應(yīng)用更為重要[18],本研究主要針對(duì)額平面考察自我中心距離的認(rèn)知.

圖1 人在VR 中的自我中心距離低估

VR 技術(shù)的發(fā)展豐富了用戶在虛擬環(huán)境中的交互方式,光標(biāo)交互的廣泛運(yùn)用為自我中心距離的研究提供了新的可能.光標(biāo)交互是VR 應(yīng)用程序中常用的交互手段,用戶通過控制鼠標(biāo)、手柄、手寫筆等物理控件,在虛擬環(huán)境中操作光標(biāo)并執(zhí)行特定任務(wù).隨著VR 技術(shù)的發(fā)展,三維光標(biāo)已逐漸替代傳統(tǒng)平面光標(biāo)被運(yùn)用到虛擬環(huán)境中的交互研究[19],例如有研究者將虛擬仿真手光標(biāo)、虛擬偏移光標(biāo)、虛擬射線光標(biāo)等用于目標(biāo)指點(diǎn)[20]、遠(yuǎn)程拖動(dòng)[21]實(shí)驗(yàn),并針對(duì)任務(wù)執(zhí)行準(zhǔn)確率、目標(biāo)指點(diǎn)速度的差異性進(jìn)行了虛擬手光標(biāo)和虛擬偏移光標(biāo)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[20].指點(diǎn)是圖形用戶界面中最基本的任務(wù)之一,用戶在與目標(biāo)進(jìn)行其他交互前必須先執(zhí)行目標(biāo)指點(diǎn)[19].當(dāng)前研究已驗(yàn)證了三維光標(biāo)在VR中的指點(diǎn)、拖動(dòng)等操作性能,但將其用于自我中心距離認(rèn)知并針對(duì)指點(diǎn)光標(biāo)類型進(jìn)行對(duì)比的研究較少.本研究將選取典型的指點(diǎn)光標(biāo)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證指點(diǎn)光標(biāo)類型與自我中心距離認(rèn)知的關(guān)系.

費(fèi)茨定律作為一維及二維指點(diǎn)任務(wù)心理預(yù)測(cè)模型得到了廣泛認(rèn)可,已有研究者將其運(yùn)用到VR 中的指點(diǎn)定位、拖動(dòng)操作任務(wù)[22]及按鍵布局[23]等方面.Fu 等[24]研究了VR 中多感官協(xié)同定位對(duì)費(fèi)茨指點(diǎn)任務(wù)績效的影響.費(fèi)茨定律指出目標(biāo)大小、起點(diǎn)與目標(biāo)間距離影響使用者進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)所需時(shí)間,目標(biāo)越大、起點(diǎn)與目標(biāo)間距離越小,目標(biāo)指點(diǎn)所需時(shí)間越短[25].Murata 等[26]將目標(biāo)方位角引入費(fèi)茨定律,并指出相較于一維和二維指點(diǎn)任務(wù),三維指點(diǎn)任務(wù)的目標(biāo)指點(diǎn)時(shí)間更容易受目標(biāo)方位角的影響.已有研究結(jié)合費(fèi)茨定律二維指點(diǎn)任務(wù)中的因素,研究了VR 中目標(biāo)大小、起點(diǎn)與目標(biāo)間距離對(duì)自我中心距離認(rèn)知、目標(biāo)指點(diǎn)速度的影響[27].本文基于Murata 等[26]對(duì)費(fèi)茨定律的擴(kuò)展研究,重點(diǎn)關(guān)注三維指點(diǎn)任務(wù)中目標(biāo)方位角、目標(biāo)大小對(duì)VR 中自我中心距離認(rèn)知及目標(biāo)指點(diǎn)速度的影響,并驗(yàn)證該研究在VR 中對(duì)三維指點(diǎn)任務(wù)預(yù)測(cè)的有效性.

2 虛擬空間指點(diǎn)交互實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)假設(shè)

實(shí)驗(yàn)將圍繞VR 中個(gè)人空間的自我中心距離認(rèn)知、指點(diǎn)光標(biāo)設(shè)計(jì)并結(jié)合費(fèi)茨定律在三維指點(diǎn)任務(wù)中的拓展進(jìn)行研究,通過設(shè)定自我中心距離、指點(diǎn)光標(biāo)、目標(biāo)大小與方位角4 種變量因素,探討自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度及目標(biāo)指點(diǎn)速度的變化規(guī)律.

基于已有研究,本文提出6 點(diǎn)假設(shè),如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)假設(shè)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)變量及取值

本研究共4 個(gè)變量因素:兩種虛擬三維指點(diǎn)光標(biāo)、3 個(gè)自我中心距離、3 種目標(biāo)大小及5 種目標(biāo)方位角,如表2所示.

表2 變量因素及其各水平取值

(1)指點(diǎn)光標(biāo):Dang 將三維指點(diǎn)光標(biāo)分為基于點(diǎn)的光標(biāo)和基于線的光標(biāo)[19],本實(shí)驗(yàn)中基于點(diǎn)的光標(biāo)采用虛擬手光標(biāo),基于線的光標(biāo)采用虛擬指桿光標(biāo),如圖2所示.依據(jù)我國成年人人體主要尺寸標(biāo)準(zhǔn)[28],選取女性第五百分位的標(biāo)準(zhǔn)上臂長加前臂長并減去手柄部分誤差,將最終長度均分為3 份(10 cm、20 cm、30 cm)作為不同自我中心距離條件下的虛擬指桿長度.虛擬手光標(biāo)則調(diào)整至最還原現(xiàn)實(shí)中被試的手掌大小及位置.

圖2 兩種指點(diǎn)光標(biāo)示意圖

(2)自我中心距離:本實(shí)驗(yàn)主要研究個(gè)人空間中的自我中心距離認(rèn)知,即以被試為圓心半徑為150 cm的圓形區(qū)域[16].以被試所在位置為原點(diǎn),將HMD 顯示位置至額平面150 cm 處均分為5 個(gè)距離,排除最近和最遠(yuǎn)端距離,選取45 cm、80 cm、115 cm為主要研究距離,如圖3所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)目標(biāo)所在自我中心距離及視角范圍

(3)目標(biāo)大小及方位角:參考已有實(shí)驗(yàn)范式,以直徑為7 cm、5 cm、3 cm的圓形為目標(biāo),并將目標(biāo)方位角按照正弦值分為0、0.7、-0.7、1、-1 共5 個(gè)水平[26,27].目標(biāo)排列方式如圖4所示.

圖4 目標(biāo)大小及排列方式

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本研究中評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)指點(diǎn)的準(zhǔn)確度及時(shí)間.

(1)目標(biāo)指點(diǎn)準(zhǔn)確度(accuracy,AC).本研究中主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)指點(diǎn)AC.已有研究表明[29],可將三維指點(diǎn)任務(wù)中目標(biāo)指點(diǎn)位置視為被試認(rèn)知的目標(biāo)位置,因此目標(biāo)指點(diǎn)AC可作為被試自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度的衡量標(biāo)準(zhǔn).目標(biāo)指點(diǎn)AC(如式(1)所示) 即認(rèn)知值與實(shí)際值的接近程度,AC值越接近于1 代表自我中心距離認(rèn)知越準(zhǔn)確.此前已有Lin 等[27]采用式(1) 衡量自我中心距離的認(rèn)知.

其中,De為被試認(rèn)知到的自我中心距離,Da為實(shí)際自我中心距離.

(2)目標(biāo)指點(diǎn)移動(dòng)時(shí)間(movement time,MT).目標(biāo)指點(diǎn)MT指被試將虛擬光標(biāo)尖端從指定起點(diǎn)移動(dòng)至虛擬目標(biāo)所用時(shí)間.在三維指點(diǎn)任務(wù)中,目標(biāo)指點(diǎn)MT越短,代表目標(biāo)指點(diǎn)速度越快[26].

2.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為2×3×3×5 (指點(diǎn)光標(biāo)×自我中心距離×目標(biāo)大小×目標(biāo)方位角)的被試內(nèi)重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)方案.將3 種大小的紅色虛擬目標(biāo)按照設(shè)定的自我中心距離及角度投射至額平面,目標(biāo)高度均依據(jù)被試肩高進(jìn)行調(diào)整,如圖5所示.依據(jù)我國人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn),人眼對(duì)紅色的色覺視野為45°[28],對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)中最小自我中心距離45 cm 處額平面寬度為37.2 cm,為保持目標(biāo)間距離一致,所有目標(biāo)最遠(yuǎn)中心距均設(shè)定為37.2 cm,如圖3.

圖5 實(shí)驗(yàn)任務(wù)示意圖

實(shí)驗(yàn)按照指點(diǎn)光標(biāo)(虛擬指桿光標(biāo)、虛擬手光標(biāo))分為兩組,每組實(shí)驗(yàn)都分為預(yù)實(shí)驗(yàn)與正式實(shí)驗(yàn)兩部分,正式實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前被試需閱讀顯示器上的實(shí)驗(yàn)須知、熟悉佩戴HMD、調(diào)整顯示器瞳距并通過預(yù)實(shí)驗(yàn)練習(xí)實(shí)驗(yàn)具體操作流程,隨后進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn).為將記憶效果及肌肉疲勞的影響最小化,將兩組實(shí)驗(yàn)分為兩天進(jìn)行,如圖6.

圖6 實(shí)驗(yàn)流程

如圖5所示,每次僅在一個(gè)自我中心距離上隨機(jī)顯示一個(gè)目標(biāo).被試通過操控手柄控制光標(biāo),首先在起點(diǎn)處叩擊手柄扳機(jī)(起點(diǎn)與所有目標(biāo)的中心在同一水平高度,且位于顯示器正下方),此時(shí)目標(biāo)出現(xiàn)并開始計(jì)時(shí),指點(diǎn)目標(biāo)時(shí)再次叩擊手柄扳機(jī),同時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束,當(dāng)前試次完成.隨后光標(biāo)歸位于起點(diǎn),被試開始下一試次.

所有被試均采用兩種指點(diǎn)光標(biāo)執(zhí)行指點(diǎn)任務(wù):(1)虛擬指桿光標(biāo)指點(diǎn):被試以虛擬指桿尖端迅速指點(diǎn)當(dāng)前顯示的目標(biāo),每個(gè)自我中心距離均對(duì)應(yīng)不同長度的指桿.(2)虛擬手光標(biāo)指點(diǎn):被試通過虛擬手食指指尖指點(diǎn)出現(xiàn)的目標(biāo).

被試將虛擬指桿尖端或虛擬手指尖移動(dòng)至目標(biāo)位置并扣下手柄上的扳機(jī)即視為完成當(dāng)前試次的自我中心距離認(rèn)知及虛擬指桿光標(biāo)/虛擬手光標(biāo)指點(diǎn)任務(wù).被試在任務(wù)執(zhí)行過程中,若目標(biāo)距離較遠(yuǎn)則可單腳邁出一步,每個(gè)試次結(jié)束后均需回到原位.

2.3 被試與實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)共邀請(qǐng)了15 名被試,其中8 名男性、7 名女性.所有被試均為18-25 歲的在校學(xué)生,30%來自設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè),70%來自計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè).所有被試視力均為正?；蛲ㄟ^矯正達(dá)到正常水平,慣用手均為右手.

實(shí)驗(yàn)通過Unreal Engine 4 完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及任務(wù)開發(fā).采用 HTC Vive 作為輸入設(shè)備,如圖7所示,可提供110°視場(chǎng)角,雙眼像素分辨率為2880×1600.被試通過操控手柄移動(dòng)虛擬光標(biāo),手柄輸出的點(diǎn)擊位置坐標(biāo)及時(shí)間由系統(tǒng)自動(dòng)記錄.任務(wù)環(huán)境為一個(gè)無邊際單一光源的黑色環(huán)境,避免其他因素對(duì)被試的距離認(rèn)知造成影響,地面始終顯示一個(gè)三角形標(biāo)志以提示被試站立位置及方向.

圖7 虛擬空間指點(diǎn)交互實(shí)驗(yàn)

2.4 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS Statistics 26 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析,P＜0.05 則視為數(shù)據(jù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.使用Matlab R2019b 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,并建立回歸模型.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 目標(biāo)指點(diǎn)AC的差異性比較

對(duì)AC數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析,結(jié)果如下.

不同指點(diǎn)光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC有顯著性差異 (F=15.650,P=0.001＜0.05) (F表示顯著性差異水平,P表示檢驗(yàn)水平),支持假設(shè)H3,即指點(diǎn)光標(biāo)類型對(duì)自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度有顯著性影響.結(jié)合圖8可以看出,總體上,虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC高于虛擬指桿光標(biāo).已有研究證明,在虛擬環(huán)境中增加被試熟悉的物體可以改善被試的距離認(rèn)知準(zhǔn)確度[16,30],人體在VR 中的模擬可以改善距離認(rèn)知[31].實(shí)驗(yàn)中虛擬手光標(biāo)被調(diào)整至被試手的真實(shí)大小,為被試提供了一定的提示信息,導(dǎo)致被試使用虛擬手光標(biāo)時(shí)總體自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度較高.

圖8 各目標(biāo)條件下虛擬手光標(biāo)與虛擬指桿光標(biāo)的平均目標(biāo)指點(diǎn)AC

不同自我中心距離的目標(biāo)指點(diǎn)AC無顯著性差異(F=2.040,P=0.149＞0.05),表明自我中心距離不能顯著影響被試對(duì)其的認(rèn)知準(zhǔn)確度,假設(shè) H1不成立.這與前人的研究結(jié)果不同[14],前人認(rèn)為,由于人眼調(diào)節(jié)與會(huì)聚特性以及眼球轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的限制[32],人在觀察近距離目標(biāo)時(shí)自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度會(huì)降低[33].本實(shí)驗(yàn)依照人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)將目標(biāo)設(shè)定在人眼辨別的舒適區(qū)域內(nèi),上述人眼特性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響被降到了最低.同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn),被試在D1、D2、D3 上均低估了自我中心距離,當(dāng)目標(biāo)分別顯示在45 cm、80 cm和115 cm的自我中心距離上時(shí),相應(yīng)的距離認(rèn)知平均值分別為44.36 cm (SD=1.34)、78.50 cm (SD=2.18)和113.05 cm(SD=3.08) (SD表示標(biāo)準(zhǔn)差),這與已有研究結(jié)果一致[1].

另外,本研究發(fā)現(xiàn),目標(biāo)大小對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)AC有顯著性影響(F=9.245,P=0.003＜0.05),即目標(biāo)大小會(huì)顯著影響被試的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度.成對(duì)比較發(fā)現(xiàn),直徑為S3的目標(biāo)指點(diǎn)AC顯著高于S1 (P=0.001＜0.05)、S2 (P=0.001＜0.05),直徑為S2的目標(biāo)指點(diǎn)AC顯著高于S1 (P=0.018＜0.05),即目標(biāo)越小、目標(biāo)指點(diǎn)AC越高、自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度越高.通過不同大小目標(biāo)的指點(diǎn)MT可知,如圖9所示,被試在指點(diǎn)小尺寸目標(biāo)時(shí)目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著增加,目標(biāo)指點(diǎn)速度降低,目標(biāo)指點(diǎn)速度與準(zhǔn)確性之間存在補(bǔ)償關(guān)系[28],這可能是被試指點(diǎn)小目標(biāo)時(shí)自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度更高的原因.除此之外,目標(biāo)方位角對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)AC無顯著性影響(F=1.124,P=0.394＞0.05).

圖9 各目標(biāo)條件下虛擬手光標(biāo)與虛擬指桿光標(biāo)平均目標(biāo)指點(diǎn)MT

如圖8中A 區(qū)所示,指點(diǎn)光標(biāo)與自我中心距離對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)AC有雙向交互效應(yīng)(F=12.384,P=0.001＜0.05),支持假設(shè)H3,即兩種指點(diǎn)光標(biāo)對(duì)被試自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確性的影響在不同自我中心距離下存在顯著差異.根據(jù)簡單效應(yīng)檢驗(yàn)結(jié)果,可進(jìn)一步分析各指點(diǎn)光標(biāo)在3 個(gè)自我中心距離下的目標(biāo)指點(diǎn)AC.

D1 條件下虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC顯著高于虛擬指桿光標(biāo)(P=0＜0.05),可見若目標(biāo)位于被試自我中心距離45 cm 處,使用虛擬手光標(biāo)指點(diǎn)目標(biāo)的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度更佳.被試在使用虛擬手光標(biāo)靠近目標(biāo)時(shí),較為容易觀察到光標(biāo)正在接近或已經(jīng)穿過目標(biāo),既獲得一個(gè)隱性的視覺提示[16].一方面,被試在指點(diǎn)D1 處的目標(biāo)時(shí)無須移動(dòng)身體,因此視野較為平穩(wěn),可以更好地觀察目標(biāo)與光標(biāo)之間的遮擋關(guān)系.另一方面,虛擬手光標(biāo)與目標(biāo)之間產(chǎn)生的遮擋關(guān)系較為明顯,而虛擬指桿光標(biāo)與目標(biāo)之間的遮擋關(guān)系相對(duì)微弱.

D2 條件下虛擬指桿光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC顯著高于虛擬手光標(biāo)(P=0＜0.05),表明若目標(biāo)位于被試自我中心距離80 cm 處,使用虛擬指桿光標(biāo)指點(diǎn)目標(biāo)的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度更高.被試在指點(diǎn)D2 處目標(biāo)時(shí)需大幅度伸展手臂,因此使用兩種指點(diǎn)光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)時(shí)會(huì)調(diào)用不同的視覺系統(tǒng),即認(rèn)知系統(tǒng)、感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用機(jī)制是條件反射,不涉及對(duì)視覺信息的加工,認(rèn)知系統(tǒng)則會(huì)對(duì)視覺信息進(jìn)行加工處理[34-36].使用虛擬手光標(biāo)時(shí),由于被試手的位置即虛擬手光標(biāo)位置,虛擬手光標(biāo)的移動(dòng)較為容易控制,被試的視覺焦點(diǎn)和注意力主要集中在目標(biāo)上,傾向于依靠感知運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來控制手臂將虛擬手光標(biāo)靠近目標(biāo);若使用虛擬指桿光標(biāo),被試則更為關(guān)注虛擬指桿光標(biāo)與目標(biāo)間的匹配關(guān)系,傾向于調(diào)動(dòng)認(rèn)知系統(tǒng)來匹配虛擬指桿光標(biāo)尖端和目標(biāo)[36].在D2 處使用虛擬指桿光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC更高,可能是由于被試調(diào)動(dòng)了認(rèn)知系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)虛擬指桿光標(biāo)和虛擬手光標(biāo)的位置匹配.

在D3 條件下虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)AC顯著高于虛擬指桿光標(biāo) (P=0＜0.05),可見被試在指點(diǎn)自我中心距離為115 cm的目標(biāo)時(shí),使用虛擬手光標(biāo)指點(diǎn)目標(biāo)的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度更佳.Hale 等指出,人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)視差可以改善人在虛擬環(huán)境中的距離認(rèn)知[30].被試在使用虛擬手光標(biāo)選取D3 處目標(biāo)時(shí),需要移動(dòng)身體以靠近目標(biāo),因此通過運(yùn)動(dòng)視差獲得了更好的自我中心距離認(rèn)知.

另外,交互光標(biāo)類型與目標(biāo)大小(F=3.541,P=0.059)、目標(biāo)方位角(F=0.604,P=0.668)間的目標(biāo)指點(diǎn)AC均無顯著雙向交互效應(yīng).

由以上實(shí)驗(yàn)分析可知,在VR 三維指點(diǎn)任務(wù)設(shè)計(jì)對(duì)自我中心距離準(zhǔn)確度要求較高的情況下,應(yīng)將目標(biāo)放置于被試自我中心距離45 cm、115 cm 處,并選擇虛擬手光標(biāo)進(jìn)行交互;或?qū)⒛繕?biāo)放置于被試自我中心距離80 cm 左右的區(qū)域,并采用虛擬指桿光標(biāo)進(jìn)行交互.減小目標(biāo)尺寸可以提高被試的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度;改變目標(biāo)方位角對(duì)被試的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度沒有顯著影響.

3.2 目標(biāo)指點(diǎn)MT的差異性比較

對(duì)MT數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析,結(jié)果如下.

不同指點(diǎn)光標(biāo)類型的目標(biāo)指點(diǎn)MT有顯著性差異(F=4.728,P=0.047＜0.05),支持假設(shè)H4,即指點(diǎn)光標(biāo)類型會(huì)顯著影響三維指點(diǎn)任務(wù)的目標(biāo)指點(diǎn)速度.結(jié)合圖9可以看出,被試使用虛擬指桿光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)的總體MT小于使用虛擬手光標(biāo).這是由于被試使用虛擬手光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)時(shí),手臂的實(shí)際移動(dòng)路徑較長,導(dǎo)致其目標(biāo)指點(diǎn)MT較長,目標(biāo)指點(diǎn)速度較慢.而虛擬指桿光標(biāo)延伸了被試自身手臂長度,使被試可以更迅速地指點(diǎn)目標(biāo).

不同自我中心距離的目標(biāo)指點(diǎn)MT有顯著性差異(F=13.787,P=0.001＜0.05).結(jié)合表3可知,D1、D2、D3 間成對(duì)比較均存在顯著差異,被試在3 種自我中心距離下指點(diǎn)目標(biāo)所需MT排序?yàn)?D1＜D2＜D3,支持假設(shè)H2,即自我中心距離影響三維指點(diǎn)任務(wù)的目標(biāo)指點(diǎn)速度,且自我中心距離越大,目標(biāo)指點(diǎn)速度越慢.目標(biāo)大小對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)MT有顯著性影響(F=93.340,P=0＜0.05).結(jié)合表3可知,S1、S2、S3 間成對(duì)比較均存在顯著差異,被試指點(diǎn)3 種不同大小目標(biāo)所需MT排序?yàn)?S1＜S2＜S3,支持假設(shè)H5,即目標(biāo)大小影響目標(biāo)指點(diǎn)速度,且目標(biāo)尺寸越大,目標(biāo)指點(diǎn)速度越快.自我中心距離和目標(biāo)大小對(duì)MT的影響遵循了前人對(duì)三維指點(diǎn)任務(wù)[26]的研究,隨著自我中心距離增加、目標(biāo)尺寸減小,被試的目標(biāo)指點(diǎn)MT有所增加.

表3 自我中心距離、目標(biāo)大小各水平成對(duì)比較結(jié)果

不同目標(biāo)方位角的目標(biāo)指點(diǎn)MT有顯著性差異(F=5.007,P=0.015＜0.05),支持假設(shè)H6,即目標(biāo)方位角顯著影響目標(biāo)指點(diǎn)速度.成對(duì)比較發(fā)現(xiàn),方位角A2的目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著低于A1 (P=0.003＜0.05)、A3 (P=0.016＜0.05)、A5 (P=0.041＜0.05),方位角A4的目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著低于A1 (P=0.019＜0.05)、A3 (P=0.001＜0.05)、A5 (P=0.006＜0.05).已有研究證實(shí),在三維指向任務(wù)中,指向下方目標(biāo)所用MT小于指向上方目標(biāo)[26].另外,本研究中方位角A5的目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著低于A3 (P=0.026＜0.05).一方面可能是由于A5 處的目標(biāo)與起點(diǎn)夾角為0°,被試在指點(diǎn)時(shí)僅控制指點(diǎn)光標(biāo)在水平面的移動(dòng),因此目標(biāo)指點(diǎn)速度較快.另一方面,目標(biāo)位置與人肩等高時(shí)人執(zhí)行特定動(dòng)作的速度較快[28],本實(shí)驗(yàn)根據(jù)被試肩高對(duì)目標(biāo)高度進(jìn)行了調(diào)整,處于方位角A5的目標(biāo)與被試肩高在同一水平高度.

如圖9中B區(qū)所示,指點(diǎn)光標(biāo)類型與自我中心距離對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)MT有雙向交互效應(yīng)(F=22.506,P=0＜0.05),支持假設(shè)H4,即兩種指點(diǎn)光標(biāo)對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)速度的影響在不同自我中心距離下存在差異,簡單效應(yīng)分析結(jié)果如下.

D1 條件下虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著低于虛擬指桿光標(biāo)(P=0.024＜0.05),即被試指點(diǎn)自我中心距離為45 cm的目標(biāo)時(shí),使用虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)速度更快.導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因,一方面可能是由于被試對(duì)兩種交互方式的熟練度不同,采用虛擬手光標(biāo)在近距離指點(diǎn)目標(biāo)更接近被試日常生活中的交互活動(dòng)(如:觸摸電子屏幕),而被試在現(xiàn)實(shí)生活中極少會(huì)有類似于使用虛擬指桿光標(biāo)的交互行為;另一方面,從人體測(cè)量學(xué)的角度解釋[28],被試在使用有一定長度的虛擬指桿光標(biāo)指點(diǎn)近距離目標(biāo)時(shí),其運(yùn)動(dòng)會(huì)受到手掌和手臂位置的限制,而被試使用虛擬手光標(biāo)指點(diǎn)近距離目標(biāo)時(shí),更容易控制手臂的運(yùn)動(dòng).

D3 條件下虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT顯著大于虛擬指桿光標(biāo)(P=0＜0.05),可見被試指點(diǎn)自我中心距離為115 cm的目標(biāo)時(shí),使用虛擬指桿光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)速度更快.被試使用虛擬手光標(biāo)執(zhí)行三維指點(diǎn)任務(wù)時(shí),手臂實(shí)際移動(dòng)距離隨自我中心距離增大而增長,且增長速率較大,這使得目標(biāo)指點(diǎn)MT隨之較快增長.而虛擬指桿光標(biāo)在每個(gè)自我中心距離下均有相應(yīng)的長度,被試用其執(zhí)行三維指點(diǎn)任務(wù)時(shí),手臂實(shí)際移動(dòng)距離并不會(huì)隨自我中心距離增大有明顯增長,因此目標(biāo)指點(diǎn)MT不會(huì)產(chǎn)生明顯增長.

另外,交互光標(biāo)類型與目標(biāo)大小(F=1.728,P=0.216)、目標(biāo)方位角(F=0.190,P=0.939)間的目標(biāo)指點(diǎn)MT均無顯著雙向交互效應(yīng).

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)分析可知,在VR 三維指點(diǎn)任務(wù)對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)速度要求較高的情況下,應(yīng)將目標(biāo)放置于被試自我中心距離80 cm、115 cm 處,并使用虛擬指桿光標(biāo)進(jìn)行交互;或?qū)⒛繕?biāo)放置于被試自我中心距離45 cm 左右的區(qū)域,并采用虛擬手光標(biāo)交互.增加目標(biāo)尺寸、減小自我中心距離可以提高目標(biāo)指點(diǎn)速度;使目標(biāo)與起點(diǎn)、用戶肩高在同一水平高度或?qū)⒛繕?biāo)置于起點(diǎn)下方可以提高目標(biāo)指點(diǎn)速度

3.3 基于費(fèi)茨定律的擬合度評(píng)價(jià)

根據(jù)Murata 等對(duì)費(fèi)茨定律的擴(kuò)展研究,d與s的比值、θ的正弦值越大,難度系數(shù)(index of difficulty,ID)越高,三維指點(diǎn)任務(wù)的目標(biāo)指點(diǎn)MT越長[26],如式(2)、式(3).

其中,d為任務(wù)中起點(diǎn)與目標(biāo)間軌跡距離,s為目標(biāo)大小,θ為目標(biāo)方位角,a和b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù).

建立各指點(diǎn)光標(biāo)目標(biāo)指點(diǎn)MT與ID的線性回歸模型,如圖10所示.兩種指點(diǎn)光標(biāo)用于三維指點(diǎn)任務(wù)的目標(biāo)指點(diǎn)MT與ID均為顯著線性正相關(guān)(虛擬手:MT=0.063+0.290ID,R2=0.832、虛擬指桿:MT=0.593+0.138ID,R2=0.950) (R2為擬合優(yōu)度).

圖10 虛擬手光標(biāo)/虛擬指桿光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT與ID的線性回歸模型

各自我中心距離下虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT與ID的擬合優(yōu)度分別為:R2D1=0.922(MTD1=0.360+0.182ID);R2D2=0.903(MTD2=0.340+0.233ID);R2D3=0.879(MTD3=0.936+0.113ID);各自我中心距離下虛擬指桿光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT與ID的擬合優(yōu)度分別為:R2D1=0.937(MTD1=0.644+0.124ID);R2D2=0.919(MTD2=0.587+0.136ID);R2D3=0.900 (MTD3=0.633+0.132ID),如圖11所示.這表明該模型可用于VR 中基于指點(diǎn)光標(biāo)的三維指點(diǎn)任務(wù)預(yù)測(cè).

圖11 各自我中心距離下虛擬手光標(biāo)/虛擬指桿光標(biāo)的MT與ID的線性回歸模型

線性回歸擬合線的斜率反映了ID增加導(dǎo)致的MT變化率,即吞吐量.結(jié)合圖10可知,虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT隨ID增大而增長的速率較快,即虛擬手光標(biāo)的吞吐量相較于虛擬指桿光標(biāo)更大.各自我中心距離下虛擬手光標(biāo)/虛擬指桿光標(biāo)與ID的擬合線如圖11.D1、D2 條件下,虛擬手光標(biāo)的擬合線斜率高于虛擬指桿光標(biāo),可見目標(biāo)位于被試自我中心距離45 cm、80 cm處時(shí),虛擬手光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT隨ID增大而增長的速率較快.D3 條件下,虛擬手光標(biāo)/虛擬指桿光標(biāo)的擬合線斜率差異不大,即目標(biāo)位于被試自我中心距離115 cm處時(shí),使用虛擬手光標(biāo)或虛擬指桿光標(biāo)指點(diǎn)目標(biāo),MT隨ID增大而增長的速率差異不大.

因此,若需在VR 個(gè)人空間中改變?nèi)S指點(diǎn)任務(wù)的ID以顯著影響使用者的目標(biāo)指點(diǎn)MT,應(yīng)使用虛擬手光標(biāo)作為指點(diǎn)光標(biāo);若需在同一自我中心距離下改變?nèi)S指點(diǎn)任務(wù)的ID以顯著影響使用者的目標(biāo)指點(diǎn)MT,則應(yīng)將目標(biāo)設(shè)置在被試自我中心距離45 cm、80 cm左右的區(qū)域,并使用虛擬手光標(biāo)作為指點(diǎn)光標(biāo).

4 總結(jié)

本文得出以下結(jié)論:

(1)VR 中,指點(diǎn)光標(biāo)類型、目標(biāo)大小對(duì)自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度有顯著影響;隨著自我中心距離的變化,不同指點(diǎn)光標(biāo)對(duì)自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確性的影響有所不同.目標(biāo)位于被試個(gè)人空間中自我中心距離較近或較遠(yuǎn)的區(qū)域時(shí),被試使用虛擬手光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)獲得的自我中心距離認(rèn)知較為準(zhǔn)確;若目標(biāo)位于被試個(gè)人空間中自我中心距離中等的區(qū)域,則被試使用虛擬指桿光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)獲得的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度較高;若想提高被試的自我中心距離認(rèn)知準(zhǔn)確度,應(yīng)盡量縮減目標(biāo)大小.

(2)VR 中,指點(diǎn)光標(biāo)類型、自我中心距離、目標(biāo)大小、目標(biāo)方位角對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)速度有顯著影響,隨著自我中心距離的變化,不同指點(diǎn)光標(biāo)對(duì)目標(biāo)指點(diǎn)速度的影響有所不同.目標(biāo)位于被試個(gè)人空間中自我中心距離較近的區(qū)域時(shí),被試使用虛擬手光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)的速度較快;目標(biāo)位于被試個(gè)人空間中自我中心距離中等或較遠(yuǎn)的區(qū)域時(shí),被試使用虛擬指桿光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)的速度較快;若想提高被試的目標(biāo)指點(diǎn)速度,應(yīng)盡量增加目標(biāo)大小,并將目標(biāo)設(shè)置在方位角0°、180°或起點(diǎn)下方的位置.

(3)VR 中,兩種指點(diǎn)光標(biāo)的目標(biāo)指點(diǎn)MT均基本符合費(fèi)茨定律在三維指點(diǎn)任務(wù)中的擴(kuò)展模型.整體個(gè)人空間中,使用虛擬手光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)的MT受任務(wù)ID的影響較大;目標(biāo)位于被試個(gè)人空間中自我中心距離較近或中等的區(qū)域時(shí),使用虛擬手光標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)指點(diǎn)的MT受任務(wù)ID的影響較大.