基于現(xiàn)實和想象隱喻的三維用戶界面模式研究

莫雪敏 章潔

摘要：目前，三維用戶界面缺乏具有普適性的界面模式，導致在遇到自由度與舒適度、真實性與愉悅性或可控性與智能性等矛盾時，沒有可參考的框架提供解決問題的思路，針對這一問題，研究兼具愉悅性和高效性的三維用戶界面模式。通過對目前基于現(xiàn)實隱喻和基于想象隱喻的三維用戶界面進行研究，分析現(xiàn)有基于隱喻的三維用戶界面發(fā)展瓶頸，將現(xiàn)實和想象隱喻的三維用戶界面特點和要素進行對比分析，引入隱式交互的概念，提出三維用戶界面模式SEMEI，并分析SEMEI模式中各個要素及具體交互過程。最終形成了基于現(xiàn)實和想象隱喻的三維用戶界面模式。該模式為其他人機交互研究者和設計師構建出兼具自然交互與感性愉悅的三維用戶界面，提供了更為全面的設計思路。

關鍵詞：三維用戶界面；界面模式；現(xiàn)實隱喻；想象隱喻；隱式交互；自然交互

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）11-0071-04

Abstract：At present， the three-dimensional user interface lacks a universal interface pattern， which leads to the lack of a reference framework to provide ideas to solve the problem when encountering contradictions such as freedom and comfort， authenticity and pleasure， or controllability and intelligence. Based on the research on the current three-dimensional user interface based on realistic metaphor and imagination metaphor， this paper analyzes the development bottleneck of the existing three-dimensional user interface based on metaphor， compares and analyzes the characteristics and elements of three-dimensional user interface based on realistic and imaginary metaphor， introduces the concept of implicit interaction， proposes the three-dimensional user interface pattern SEMEI， and analyzes the various elements and specific interaction processes in the SEMEI pattern. The result is a three-dimensional user interface pattern based on real and imagined metaphors.This pattern provides a more comprehensive design idea for other human-computer interaction researchers and designers to build a three-dimensional user interface that combines natural interaction and perceptual pleasure.

Keywords：Three-dimensional user interface；Interface pattern；Realistic metaphor；Imaginary metaphor；Implicit interaction；Natural interaction

引言

用戶界面的發(fā)展從批處理界面、命令行界面到圖形用戶界面，隨著虛擬現(xiàn)實等三維空間技術的不斷發(fā)展，在一部分人機交互場景中的圖形用戶界面轉向自然用戶界面。隱喻本身作為一種語言學的修辭手法，在介入人機交互的領域后，以WIMP界面范式為代表的桌面隱喻在界面設計領域占據(jù)了幾十年的主導地位。在桌面隱喻之外，類似紙筆隱喻、超人隱喻等由隱喻啟發(fā)的三維用戶界面設計方法也一直在被研究者們提出，但這些研究大多聚焦在某種特定技術的交互方式中，受到具體任務的限定，從而缺乏能夠賦予系統(tǒng)設計者超越特定隱喻的普適性設計方法。

早在1986年，學者Smith和Randall B就首次在人機交互的領域提出了字面主義（Literalism）和魔力（Magic）這樣一對具有普適性的界面隱喻維度，直到2008年，Jacob等學者基于前人的研究總結出了一個針對3D交互的成型框架——基于現(xiàn)實的交互框架（RBI），2009年，Kulik基于魔力交互技術并針對RBI框架提出了基于想象的交互框架（IBI）。國內學者李太然等人在2018年基于RBI框架提出了虛擬現(xiàn)實用戶界面范式SOMM，然而隨著更多交互場景的出現(xiàn)和理論的時限性，進一步研究可廣泛應用的三維用戶界面構建模式是有必要的。

一、基于隱喻的三維用戶界面概況

（一）三維用戶界面中的隱喻維度

在《3D用戶界面設計與評估》中，作者Joseph等人將3D交互定義為用戶直接在真實或虛擬的3D空間背景下執(zhí)行任務的人機交互，而3D用戶界面則是包含了3D交互的用戶界面。由于VR、AR、MR和某些基于傳統(tǒng)計算機的3DUI應用場景都是用戶直接在真實或虛擬的三維空間背景下執(zhí)行任務的人機交互，本文研究的三維用戶界面設計模式對于以上載體具有普適性。

在傳統(tǒng)設計領域中，隱喻常常以“現(xiàn)實主義”和“浪漫主義”這一對維度出現(xiàn)，而在三維用戶界面領域中，基于隱喻的界面范式構建維度從“字面主義”和“魔力”演變而來，同樣以兩分法的形式呈現(xiàn)，分別是“基于現(xiàn)實的隱喻”（嚴格模仿物理世界）和“基于想象的隱喻”（物理世界無法找到的事物）。

（二）基于現(xiàn)實的隱喻與RBI框架

在過去的幾十年里，隨著技術和媒介的迭代和用戶需求的發(fā)展，全新的應用場景帶來了更復雜的用戶任務，于是在3DUI設計領域也出現(xiàn)了更多新的挑戰(zhàn)，一系列不同于WIMP桌面隱喻的新型界面隱喻方法和框架層出不窮?？v觀這些具有隱喻性的Post-WIMP界面，最常見的靈感都來自人們對日常生活、物理世界的常識性知識和經(jīng)驗，例如，田豐教授在2004年提出的筆式交互范式PIBG，就是通過模擬日常紙筆環(huán)境讓用戶獲得更為自然的體驗。但在三維用戶界面領域始終缺少一個基于隱喻的研究框架，直到2006年，基于現(xiàn)實的交互（Reality-Based Interaction，RBI）的概念被Jacob首次提出，并在2008年完整闡述了RBI的現(xiàn)實層級框架。

RBI框架具體聚焦4個主題：樸素物理世界（Na？ve Physics），即人們對物理世界的常識性認知；身體感知和技能（Body Awareness and Skills），即人們對于自己身體的知覺，對身體的控制和協(xié)調能力；環(huán)境感知和技能（Environment Awareness and Skills），即人們對周邊環(huán)境的知覺，在環(huán)境中溝通、操縱和導航能力；社會感知和技能（Social Awareness and Skills），即人們對環(huán)境中他人的感知，以及與他人互動的能力。RBI框架利用了人們對現(xiàn)實世界的經(jīng)驗和知識，使得相應的人機交互界面更加直覺化，減少了用戶的認知負荷。

（三）基于想象的隱喻與IBI框架

盡管重現(xiàn)物理世界的真實感在某些應用場景非常有效，但在許多3D應用，尤其是在信息探索和可視化相關的任務中，有想象力隱喻的3D界面擁有更簡單的操作和更強大的功能，用戶可以將自己快速傳送到目標位置而不需要真實的步行前往、可以將在現(xiàn)實中很沉重的虛擬物體抬起并不受重力影響懸浮于半空中、可以在前景遮擋視線時開啟透視眼等。正如Ben Shneiderman所說，“為什么不讓界面比3D現(xiàn)實更好呢？”常見的基于想象的隱喻包括抓握隱喻、指向隱喻和間接代理隱喻等。抓握隱喻和指向隱喻主要用于選擇和操作的交互行為，用戶可以利用光標或虛擬手來選擇或直接操縱虛擬環(huán)境中的物體，且不受距離和重力的影響。間接代理隱喻則包含了導航、選擇和操作的作用，通過微縮世界（WIM）技術或巫術玩偶技術為用戶提供一個虛擬環(huán)境中的目標操作對象微縮副本，使用戶可以間接地遠程操作對象。基于想象的隱喻最早被稱之為“魔力”交互技術（“Magic”techniques），早在1986年就被學者Smith提出，直到2009年，Kulik在RBI框架的基礎上，提出了基于想象的交互（Imaginationbased Interaction，IBI）框架。

IBI框架以RBI框架為參考提出了5個主題：樸素物理學的懸停（Suspension of naive physics），即在虛擬環(huán)境中忽略重力或碰撞等物理約束；（幾何和運動的）縮放（Scaling of geometry and motion），即等比縮放圖像大小或縮放運動速度來提高圖像和運動的精確度；自動化（Automation），即機器通過預測用戶意圖，主動發(fā)起行為，從而減少用戶需要交互的步驟；魔法咒語（Magic spells），即用簡單的選項代替復雜的任務命令，或是運用間接代理技術（如：微縮地圖）幫助用戶執(zhí)行目前不可見的操作，并且可以多通道并行；模式變化（Mode changes），即計算機應用中對象和工具的屬性變化。

二、基于隱喻的三維用戶界面發(fā)展

（一）基于隱喻的三維用戶界面發(fā)展瓶頸

2011年，張丹潔在RBI框架的基礎上提出了以手勢交互為主的三維用戶界面范式SWMG。2018年，李太然同樣基于RBI框架提出了虛擬現(xiàn)實用戶界面SOMM范式，完善了RBI框架中用戶對于身體的感知和技能在界面中對應的表征形式。2021年，謝麗鑫在現(xiàn)實隱喻外還引入了Norman七階段用戶行為模型作為研究基礎，提出了三維多通道用戶界面范式3DSOEM?，F(xiàn)有三維用戶界面模式都建立在現(xiàn)實隱喻的基礎上提出，對交互概念的討論也局限在用戶主動交互的范疇。雖然RBI和IBI框架都為3DUI的研究路徑和構建方法提供了指導性的意見，但是目前兩個框架相關的知識和研究比較孤立，缺少一個統(tǒng)一的界面范式或模式將現(xiàn)實隱喻和想象隱喻同時納入構建界面的考慮范疇。正是由于基于隱喻的3DUI研究領域中的局限性，在實際應用過程中也衍生出許多矛盾和問題。

1.自由度與舒適度的矛盾

在3D空間交互和傳統(tǒng)的2D空間交互最大的區(qū)別就在于自由度（Degree Of Freedom，DOF），也就是用戶身體可移動的獨立維度的擴展。在3D空間中最多可以實現(xiàn)6DoF的運動，但同時，用戶在操縱6DoF設備進行交互的過程中身體動作會更為復雜，設備也相對笨重，舒適度和安全性成為3DUI新的挑戰(zhàn)。在3D交互中并非自由度越高交互體驗越舒適，必要時可以根據(jù)具體需求減少用戶輸入端的自由度個數(shù)，因此在3D交互中使用自由度約束是一種常用于提高用戶效率和精確度，以及簡化交互的重要手段。當用戶在虛擬三維地圖中尋找某個地點時，將其光標約束在地形表面上，用戶則不需要抬起手臂通過手勢操控點位，而是通過2D輸入即可精確選擇目的地，同時也避免了空間視差帶來的影響。但自由度約束的缺點是它們減少了用戶對交互的控制，在許多應用中，能使用戶很容易地打開和關閉自由度約束是重要的。在設計3DUI時需要清楚理解用戶的需求并仔細設計交互流程，從而解決3D交互所帶來的自由度與舒適度之間的矛盾。

2.真實性與愉悅性的矛盾

在許多研究者和設計師的傳統(tǒng)觀念中，虛擬現(xiàn)實的主要優(yōu)勢依舊是盡可能復制物理世界，然而由于技術的限制，在虛擬環(huán)境中做到將現(xiàn)實1：1還原仍然存在許多細節(jié)上的難題，這些與現(xiàn)實的不匹配會損害用戶體驗和執(zhí)行任務的效率，并且在許多應用場景中，真實感并不完全需要。正如Sadeghian和Shadan所說，虛擬現(xiàn)實不應被視為現(xiàn)實的替代品，而應被視為人類可以輕松克服許多物理限制的環(huán)境。如果嚴格遵守真實隱喻中對于樸素物理學的執(zhí)行，那么當用戶在將一個模型舉到半空中時，松手后模型將因為重力向下墜落，但基于想象的隱喻給了我們將物體懸置在半空中的可能性。如果用戶希望更仔細地查看模型或信息，只需要動動手指將模型放大，而無需進行真實的位移走近查看。在這種情況下，技術為人類拓展了能力的外延，愉悅性的需求打敗了真實性的需求。因此，解決3DUI中真實性與愉悅性的矛盾需要在過往聚焦于現(xiàn)實隱喻的基礎上，引入對想象隱喻的考量，意識到3D交互不僅是為了模仿現(xiàn)實，而是為了創(chuàng)建“更好的”現(xiàn)實。

3.可控性與智能性的矛盾

現(xiàn)有三維用戶界面領域中關于交互模式的研究遵循顯式交互的邏輯，即“人主動輸入明確指令——產品接收指令執(zhí)行——用戶接受效果反饋”。由用戶直接發(fā)起命令的交互方式在多數(shù)情況下是簡潔且易于理解的，但隨著3D交互的應用場景越來越多，如何讓用戶以更少的操作達到交互目的同樣是一個重要的研究方向。機器學習（ML）技術的發(fā)展為提前預知用戶的行為和需求提供了許多可能性。設備智能化的發(fā)展是一個必然趨勢，但并非主動性越高的設備越智能，尤其對于需要消耗用戶注意力的交互行為，設備在提供便捷性和舒適度的同時，也要避免降低用戶對于應用和設備的可控性。例如，用戶可以設置在設備進入專注模式的前置條件下，某些特定應用的消息提醒只能在后臺顯示，待用戶需要時再手動打開查閱，而不是隨時可以彈出消息框打斷用戶正在進行的行為。目前，三維用戶界面模式相關研究缺乏對于設備智能化的關注，對于如何平衡可控性和智能化的討論也因此更加泛化，需要結合用戶行為的多樣性和應用場景的安全性需求等因素進一步研究，為用戶提供更加人性化的交互體驗。

（二）從模仿現(xiàn)實到超越現(xiàn)實

目前，應用最廣泛的WIMP范式也是基于現(xiàn)實隱喻——桌面隱喻誕生的，即使在部分3DUI的應用場景下，使用2D輸入依然可行，但傳統(tǒng)的WIMP范式已經(jīng)無法適用于大多數(shù)3D交互場景，在3D應用場景中，嚴格模仿真實世界并不總是必要的，基于想象的隱喻不僅可以“增強”用戶的身體、認知和感知能力，使用戶獲得更加愉悅的體驗，同時也是降低應用開發(fā)成本的一種途徑。表1是對基于現(xiàn)實隱喻和基于想象隱喻的交互界面特點的比較。

我們發(fā)現(xiàn)，想象隱喻除了在現(xiàn)實隱喻的基礎上拓寬了人類能力的邊界，在交互的過程中也給了用戶成為客體的可能性，例如，用戶在三維空間中隨意瀏覽某個應用程序時，計算機檢測到一個插件的可更新狀態(tài)，便將更新所需的操作抽象打包成一個選擇提示，用戶只需要進行選擇是否更新的操作即可。在這一示例中，用戶在沒有意識到插件可更新的狀態(tài)下被提醒，成為該情境下的交互客體，計算機成為人類的第2個大腦，幫助用戶廣泛收集信息，并將信息進行整理、篩選、規(guī)劃和打包，在預測用戶目標意圖（假設用戶選擇安裝更新）后，將具體的安裝步驟放在后臺進行，用戶不需要主動明確地執(zhí)行每個步驟。不過，想象隱喻更多時候在三維用戶界面的構建中起到的是一種增益效果，想象力的發(fā)散無法擺脫人們對真實世界的認知，完整三維交互體驗的構建必然也無法擺脫對現(xiàn)實的隱喻。

三、三維用戶界面SEMEI模式的提出

（一）SEMEI模式——現(xiàn)實隱喻與想象隱喻的融合

為突破傳統(tǒng)以二分法討論3DUI隱喻靈感來源的局限性，文章將現(xiàn)實隱喻和想象隱喻整合于同一框架中，在RBI和IBI框架的基礎上引入了顯式交互和隱式交互的概念，進而提出了基于現(xiàn)實和想象隱喻的三維用戶界面模式SEMEI，如圖1。

計算機允許為任何相關的對象分配對應的含義和一些自動化處理，從而使應用程序適應各種任務的要求，IBI框架基于這一屬性提出了承載人類美好想象力的“魔法咒語”概念。IBI框架中的“自動化”和“模式變化”都屬于一種交互手段，但與RBI框架中用戶對于身體的感知和技能不同，它們是由機器主動發(fā)起的交互行為，在計算機足夠智能的情況下，甚至不需要用戶做出任何操作行為即可完成整個人機交互的閉環(huán)。引用阿爾布雷赫特·施密特（Albrecht Schmidt）對于隱式交互的定義：用戶不再關注交互過程本身，也不過多考慮如何使用設備或者系統(tǒng)，而是由設備或者系統(tǒng)主動地、隱式地識別和理解用戶行為，并將理解后的信息作用于人機交互過程。

1.3D交互空間（S）——在現(xiàn)實世界中賦予用戶“魔法”

SEMEI模式中的3D交互空間（S）對應RBI框架中的樸素物理世界和IBI框架中樸素物理學的暫停，指用戶執(zhí)行3D交互任務的虛擬空間，承載了所有的情境信息。3D交互空間通常以真實世界為基礎，基本遵循重力、摩擦力和相對尺度等基本物理規(guī)則，但在某些場景下也可以定義具有“魔法特質”（Magic features）的規(guī)則，例如手部射線可以穿越障礙物指向遠處的物體；圖像可以立即隱形或者重新著色；三維模型可以扭曲、分割或復制等，類似這些在物理現(xiàn)實中無法實現(xiàn)但可以賦予虛擬對象的功能，只要它們是可計算并且用戶可以理解的，就存在應用的可能性。具有兼容性的3D交互空間將現(xiàn)實和“魔力”相結合，給用戶提供一個自然且愉悅的交互場景。

2.元素（E）——虛實結合的美學設計

元素（E）對應RBI框架中的環(huán)境感知和技能與社會感知和技能，它指存在3D交互空間中的任意互動對象，包含了真實景象（實像）和虛擬景象（虛像）兩種元素。一方面，實像與虛像存在于不同視場角（FoV）的圖層中，它們疊加在一起成為用戶最終所見場景，因此設計師需要將實像和虛像同時納入設計的考量。另一方面，雖然一些3DUI設計指南建議在虛像上添加各種擬真的細節(jié)，但仿真元素并非在所有場景下都是最優(yōu)解。將想象隱喻引入三維用戶界面中的一大作用就是可以充分發(fā)揮非真實感的美學功能，利用計算機的繪制能力構建虛擬與真實之間的橋梁。例如在兒童學習場景下，將虛擬環(huán)境中的角色進行抽象卡通化，或在藝術裝置中通過多層透明圖像和粒子動畫塑造沉浸感和臨場感。虛實結合的元素設計有利于場景中情緒和氛圍的渲染，從而與用戶形成情感聯(lián)結，同時合理的抽象化也為用戶提供了更為簡單和有效的互動對象。

3.菜單（M）——命令載體可視化

菜單（M）對應的是IBI框架中的魔法咒語，具有一種普遍的代理屬性，包含了傳統(tǒng)圖形用戶界面中的選擇菜單，以及地圖、旋轉舞臺和微縮世界這種更具可視化的三維菜單形式。與傳統(tǒng)的2D菜單不同，三維菜單具有獨特的空間屬性，因此有效增加了同樣大小屏幕內可承載的信息密度。作為一種重要的輸入命令載體，菜單幫助用戶對于目前不可見的物體或屬性進行操作，而3D菜單在2D菜單的基礎上進一步減少了用戶對于復雜任務的記憶負荷，根據(jù)輸入設備、交互任務和應用情境的不同，一些創(chuàng)新的3D可視化菜單形式還為低基礎設施的環(huán)境提供了輕量化的解決方案。

4.顯式交互（E）與隱式交互（I）——簡單的操作與恰到好處的預測

顯示交互（E）對應RBI框架中的身體感知和技能及IBI框架中幾何和運動的縮放，通常指用戶通過鍵盤、鼠標、手勢和語音指令等輸入方式主動向系統(tǒng)發(fā)出指令的交互過程。隱式交互（I）則涵蓋了IBI框架中的自動化和模式更改。2008年，溫迪·朱（Wendy Ju）和拉里·萊弗（Larry Leifer）提出了隱式交互框架，如圖2，從對用戶的注意力需求這一維度出發(fā)，可以將隱式交互劃分為兩類，一種是在用戶注意力之外發(fā)生的后臺交互，如設備跟隨用戶視線自動調整視野范圍和自動攔截垃圾信息的彈出。許多隱式交互還會嵌套在顯式交互的過程中，例如，用戶用Microsoft HoloLens2閱讀長文本時，機器會跟蹤眼睛的視線，在識別到視線到達文本框底部后，文本會開始自動滾動，在這一過程中，隱式交互幫助用戶在無需抬起手指進行翻頁的情況下保持了順暢的閱讀體驗。另一種高注意力需求的隱式交互是由計算機主動向用戶發(fā)起的前臺交互——警報提示（例如新郵件提醒或軟件更新的自動彈窗），雖然這種隱式交互也是在預測用戶的隱含需求后發(fā)生的，但依然需要占用用戶較多的注意力，在設計時需要充分考慮到提示任務的必要性和可控性，盡量避免讓用戶感到被冒犯和被打斷。對于顯式交互應當遵循的原則是讓交互操作盡量簡單易懂，而隱式交互的核心則是充分感知并推理用戶的可能性需求，將簡單的操作與恰到好處的預測相結合，為用戶提供更加自然的三維用戶界面。

（二）SEMEI模式的交互過程

在SEMEI模式的三維交互過程中，如圖3，情境空間代表了3D交互空間的概念，是特定情境中所有信息和信息集元素的載體，將這些信息元素按照層級可以分類為模塊組織、分子單元與原子元素，它們表征為具體的虛像與實像元素，構成整個用戶所見的符號場景。用戶通過感官系統(tǒng)接收到符號空間中的信息元素，根據(jù)經(jīng)驗鏈接到具體使用情境、空間格局和認知結構、交互方式等。根據(jù)交互任務，用戶將注意力聚焦在目標菜單、目標3D與2D元素上，形成對應任務的感知空間，通過類似觸摸操作或凝視交互等直接與命令界面發(fā)生交互的顯式交互來完成操作，將反饋傳遞給機器。用戶在操作完成后根據(jù)成功或失敗的結果，不斷積累知識和經(jīng)驗，形成新的記憶，最終達成認知空間的構建與不斷更新，以此來影響用戶符號空間和感知空間的信息布局。同時，機器基于對于外部環(huán)境和用戶行為的感知對用戶的目標意圖進行推理，根據(jù)不同的主動性與注意力需求發(fā)起相應的隱式交互手段，從而影響情境空間中的信息分布與屬性特征。整個交互過程以情境感知為基礎，以用戶目標意圖為中心，分別從用戶和機器的角度發(fā)起交互行為，將人機交互主客體之間的行為邏輯相契合，最終構建出舒適、自然、愉悅的三維用戶界面。

結語

文章提出的基于現(xiàn)實和想象隱喻的三維用戶界面模式SEMEI，打破了先前三維用戶界面領域總是分散性地基于現(xiàn)實或想象隱喻進行研究的思路，從而提供了一種將現(xiàn)實與想象隱喻相結合的多角度構建和多視點審視的框架，旨在幫助三維用戶界面設計者更清晰全面地透視三維交互過程中的問題，在通過模仿現(xiàn)實解決問題之外，同樣關注想象隱喻帶來的“超能力”作用。不過在具體應用的過程中還需要進一步結合三維用戶界面的交互情境、信息特點和用戶所處的文化背景等因素綜合考慮，從而實現(xiàn)真正自然愉悅的交互體驗。接下來，我們希望對范式的構成要素和交互過程中的關鍵環(huán)節(jié)進一步研究，探究如何在三維用戶界面中實現(xiàn)現(xiàn)實隱喻和想象隱喻平衡。

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