關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的科技論文2500字
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是一種由計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)創(chuàng)造的新世界，是一個(gè)看似真實(shí)的模擬環(huán)境，下面是小編為大家精心推薦的關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的科技論文2500字，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>
關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí)的科技論文2500字篇一
直覺交互界面與虛擬現(xiàn)實(shí)
摘要：為了研發(fā)更高水準(zhǔn)的直覺交互界面，有必要引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借助具備沉浸性、交互性和想象性的人機(jī)交互環(huán)境來獲得真正意義上的直覺體驗(yàn)。通過特定的物理器件裝置，以及先進(jìn)的手勢識別技術(shù)，使用者不必學(xué)習(xí)專門的操作命令，就可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交流并獲得實(shí)時(shí)的反饋，而獨(dú)特的沉浸式環(huán)境更能創(chuàng)造出人機(jī)一體的融合感。結(jié)果表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地提升了用戶的體驗(yàn)度，大大簡化了操作的復(fù)雜性，而且可以應(yīng)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(qū)動(dòng)平臺。
關(guān)鍵詞：直覺交互;人機(jī)交互;虛擬現(xiàn)實(shí)
中圖分類號：J0-05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
本文是在“人―計(jì)算機(jī)” 交互(Human-Computer Interaction)的意義上來談?wù)?ldquo;交互”。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)幾十年來突飛猛進(jìn)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)完全進(jìn)入了日常生活的方方面面，其影響無處不在，人機(jī)之間的互動(dòng)操作問題也越發(fā)顯得重要。由于計(jì)算機(jī)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(jī)交互問題的一個(gè)重要著眼點(diǎn)就在于如何盡量地縮小人類使用者的操作模式與計(jì)算機(jī)的操作模式之間的差別。這意味著我們?nèi)栽诓粩嗟孛骱吞接?，去提供更?yōu)秀的交互界面，使人可以順暢地、高效率地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對話。
一直以來，交互設(shè)計(jì)思維首要強(qiáng)調(diào)的就是以人為本，換而言之就是讓設(shè)計(jì)物適應(yīng)人，而非人適應(yīng)設(shè)計(jì)物。這種觀點(diǎn)在計(jì)算機(jī)還是國防機(jī)密的年代中顯得有些奢侈，人們只能痛苦地訓(xùn)練自己去迎合機(jī)器(例如，使用完全機(jī)器式的編程語言與計(jì)算機(jī)交談)。在當(dāng)下，相對廉價(jià)的個(gè)人計(jì)算機(jī)都可以提供可觀的計(jì)算能力，因此交互界面的設(shè)計(jì)原則也就順應(yīng)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(jì)算則交給計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(xí)以為常的動(dòng)作引入與計(jì)算機(jī)的交互之中，在不知不覺中將完成與計(jì)算機(jī)的溝通，那么這樣的人機(jī)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(shí)技術(shù)則提供了最有價(jià)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(shí)技術(shù)間的關(guān)系，為了完成這樣的任務(wù)，首先我們要對人機(jī)交互意義上的直覺作出一個(gè)明確的定義，它實(shí)際上與大眾文化中的“直覺”概念有著相當(dāng)?shù)牟顒e。之后我們將談?wù)撊绾螌⑸鲜鲆饬x上的直覺與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)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(gè)概念屬于大眾詞匯，但實(shí)際上不同的學(xué)科對直覺都有著不同的定義。本文研究的對象是人機(jī)交互，因此將在“憑著直覺去與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互” (interaction with computer by intuition)這個(gè)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(jì)算機(jī)在進(jìn)行著雙向的互動(dòng)，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(jī)交互關(guān)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(shí)際也就奠定了“以人為本”在理論上的基礎(chǔ)性質(zhì)。
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(dòng)一頁書的時(shí)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(dòng)之后出現(xiàn)的非常規(guī)情況并作出反應(yīng)，等等。在這個(gè)意義上，一本實(shí)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(yàn)的無意識的反應(yīng)”[1]。這個(gè)定義強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)要點(diǎn)：基于以往經(jīng)驗(yàn)和無意識。關(guān)于直覺往往是無意識的(下意識的)舉動(dòng)，這一點(diǎn)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(yàn)”這一點(diǎn)。
在日常生活中，人們或許并不認(rèn)為直覺與已往經(jīng)驗(yàn)之間會(huì)有什么關(guān)聯(lián)。相反，許多人會(huì)認(rèn)為，如果不需要經(jīng)驗(yàn)就能進(jìn)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(yàn)便可以下意識地完成”。但這實(shí)際上是一種錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，它不但誤解了人的本能，而且未能認(rèn)識到已往經(jīng)驗(yàn)的真實(shí)存在及其影響。事實(shí)上，現(xiàn)代理論表明，人類絕大多數(shù)行動(dòng)――簡單的或復(fù)雜的――都是后天習(xí)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(jī)交互操作：拿按鈕這種最簡單的人機(jī)界面元素來說，如果沒有事先通過各種例子認(rèn)識到存在按鈕這種東西并且按下它之后會(huì)啟動(dòng)某些關(guān)聯(lián)反應(yīng)，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(dòng)都承載著理論――后天習(xí)得的理論。
將直覺與已往經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，這不僅揭示了直覺在人機(jī)交互中的真正面貌，而且指出了設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面時(shí)的一條基礎(chǔ)準(zhǔn)則：由于不同的人有著不同的生活經(jīng)驗(yàn)與知識水平，那么他們的已有經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)。有一個(gè)簡單的例子可以說明這一點(diǎn)。
考慮一款在電腦上運(yùn)行的收音機(jī)軟件，它的作用是播放網(wǎng)絡(luò)上的各類實(shí)時(shí)音頻流(包括傳統(tǒng)電臺的在線音頻流)。圖 1模擬半導(dǎo)體收音機(jī)的調(diào)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(dǎo)體收音機(jī)的新一代年輕人而言，他們由于頻繁地接觸電腦，反而會(huì)覺得圖2的界面是直覺的，因?yàn)檫@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(dòng)條等等。
習(xí)慣半導(dǎo)體收音機(jī)操作的用戶多半用不慣新式界面，而習(xí)慣新式界面、沒使用過半導(dǎo)體收音機(jī)的用戶卻很可能對傳統(tǒng)界面不知所以。這個(gè)例子充分說明了，在考慮直覺交互界面的時(shí)候，必須考慮用戶群體的已往經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)不同的已往經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)師以極大的挑戰(zhàn)，但同時(shí)也是極大的創(chuàng)新動(dòng)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(guān)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(guān)，那么審美判斷作為人類感知過程的起點(diǎn)之一，恰是誘發(fā)直覺的重要因素。一個(gè)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(lì)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(shè)計(jì)精美、極富質(zhì)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(xué)習(xí)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(yùn)作自如，拉近了老技術(shù)(傳統(tǒng)流媒體)與新技術(shù)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(jià)值與意義，體現(xiàn)了人機(jī)交互界面的發(fā)展趨勢。
二、直覺界面與虛擬現(xiàn)實(shí)
自上世紀(jì)70年代起，虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)的發(fā)展異常迅猛，從專業(yè)研究到商業(yè)應(yīng)用乃至家用娛樂都可見其身影。從根本上而言，虛擬現(xiàn)實(shí)恰是交互界面直覺化的總趨勢的一個(gè)反映，因?yàn)槿藱C(jī)交互演進(jìn)的內(nèi)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(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)資源。
簡而言之，虛擬現(xiàn)實(shí)提供了一個(gè)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(shè)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(jìn)行互動(dòng)。沉浸性、交互性和想象性，正是虛擬現(xiàn)實(shí)的三個(gè)基本特征[4]：一是沉浸性，通過各種技術(shù)手段讓用戶產(chǎn)生“身臨其境”的感覺，包括視覺(利用人的立體視覺原理產(chǎn)生虛擬的三維縱深感)、聽覺(利用立體聲產(chǎn)生虛擬物體的方位感)、觸覺(通過力覺設(shè)備使用戶以為在與真實(shí)的物理實(shí)體打交道)等等;二是交互性，用戶可以實(shí)時(shí)地與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的各種物體進(jìn)行互動(dòng)操作，用戶的操作不再局限于傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)或游戲桿，還包括先進(jìn)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(shí)場景具有超越現(xiàn)實(shí)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(shí)的上述特征可以看出，它的基本出發(fā)點(diǎn)就是要超越傳統(tǒng)人機(jī)交互界面的非人性化的一面，不僅要讓用戶盡量溶入整個(gè)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(jì)算機(jī)(交互性)：首先，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地將計(jì)算機(jī)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(shí)技術(shù)能夠有效地消除人機(jī)交互之間的阻隔，讓用戶能夠通過日常的動(dòng)作和行為與計(jì)算機(jī)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(yàn)，而且使用情境和審美等其他因素也要考慮在內(nèi)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)本身提供了多種多樣的方法，但具體的構(gòu)建和應(yīng)用也要遵循這樣的準(zhǔn)則。下一節(jié)將提供幾個(gè)應(yīng)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(shí)技術(shù)去設(shè)計(jì)直覺交互界面。
三、應(yīng)用案例及討論
以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的直覺交互界面被廣泛應(yīng)用于各種層次、各種領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用之中，其目標(biāo)用戶群體不僅包括非專業(yè)人士(普通民眾)，也包括熟悉計(jì)算機(jī)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(xué)習(xí)和記憶成本、兼或附帶娛樂趣味性的人機(jī)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(chǎn)率和成品率，并推動(dòng)整個(gè)生產(chǎn)流程的優(yōu)化。
日本大阪大學(xué)人機(jī)工程實(shí)驗(yàn)室的伊藤雄一等人研發(fā)了ActiveCube(動(dòng)態(tài)積木)[5]，這個(gè)作品將直覺界面引入兒童和青少年認(rèn)知學(xué)習(xí)及娛樂之中，并輔以虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備以提升其應(yīng)用價(jià)值。每個(gè)積木都是一個(gè)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(yīng)器或小型設(shè)備，包括超聲感應(yīng)器(感知外界物體的接近)、坐標(biāo)感應(yīng)器(三維坐標(biāo)的相對角度)、觸覺感應(yīng)器(最多可裝兩個(gè)，每個(gè)可以感應(yīng)八個(gè)方向的觸覺)、紅外感應(yīng)器、燈和電動(dòng)機(jī)等。因此，每個(gè)積木實(shí)際上已經(jīng)是一個(gè)獨(dú)立的玩具，可以感知環(huán)境并產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)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(gè)部分之間也可以互相通信，構(gòu)成整體行為。兒童使用者不需要額外教學(xué)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(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對使用者的影響，小學(xué)低年級學(xué)生就可以獨(dú)立操作。
ActiveCube的一大特色在于可以在虛擬現(xiàn)實(shí)場景里使用。在這種情形中，紅外感應(yīng)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(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，規(guī)整的積木可以任意變換成為植物、動(dòng)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(jìn)行進(jìn)一步的玩耍和操控。
ActiveCube還可以在虛擬現(xiàn)實(shí)場景里使用。在這種情形中，紅外感應(yīng)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(gè)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(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)之后，古板規(guī)整的積木可以任意變換成為植物、動(dòng)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(jìn)行進(jìn)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(jī)，并隨著積木在實(shí)際環(huán)境中的位移而在現(xiàn)實(shí)設(shè)備上呈現(xiàn)相應(yīng)的飛行軌跡。
另一個(gè)實(shí)例來自于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。當(dāng)下的設(shè)計(jì)師一般都有較高的學(xué)歷和較專業(yè)的計(jì)算機(jī)技能，但進(jìn)行三維產(chǎn)品建模的時(shí)候，復(fù)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(biāo)的操控方式根本就與人手的自然行為大相徑庭，嚴(yán)重干擾了設(shè)計(jì)師的思維和創(chuàng)作習(xí)慣。荷蘭Delft大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)在這方面進(jìn)行了大量研究，提出了新的解決方案，其關(guān)鍵就在于引入直觀的手勢來與計(jì)算機(jī)交互，于虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)更易于捕捉和識別，又比全身姿勢更易于實(shí)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(gè)細(xì)類，不一定都適合用于人機(jī)交互。Hummels指出了三類手勢，第一類是從計(jì)算機(jī)角度去定義的手勢，因而非常便于計(jì)算機(jī)識別，但需要使用者去刻意學(xué)習(xí)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(diǎn)是非常直觀，但計(jì)算機(jī)程序需要特別的設(shè)計(jì)才能對其進(jìn)行識別。綜合了以上兩種類別之優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用范圍過窄的缺憾，但輔以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，便可以成為有效的途徑以聯(lián)通設(shè)計(jì)師和計(jì)算機(jī)。 為了提高描述性手勢的效果，研究人員特地設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，見圖3。在此環(huán)境中，普通設(shè)計(jì)師作為被試，不受拘束地使用他們慣常的手勢進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)作，而這些以直覺為基礎(chǔ)揮舞出來的手勢被動(dòng)作感應(yīng)器記錄下來，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)環(huán)境的直覺手勢。最后，對設(shè)計(jì)師而言非常直覺、對計(jì)算機(jī)而言又是相當(dāng)便于識別的手勢方案即可得到確定。設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行人機(jī)對話，不僅直覺高效，而且得益于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，整個(gè)設(shè)計(jì)流程形同真實(shí)體驗(yàn)，大大提高了設(shè)計(jì)效率。
四、結(jié)論與展望
一直以來，“以人為本”都是人機(jī)交互設(shè)計(jì)領(lǐng)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(shí)到具體的應(yīng)用情境之中。另一方面，近年來關(guān)于“用戶體驗(yàn)”的聲音不絕于耳[9]，它本質(zhì)上也是“以人為本”的精神的一種體現(xiàn)，但這個(gè)提法也存在著過于含糊的缺點(diǎn)，導(dǎo)致了許多不同的理論都以它為邏輯基礎(chǔ)。實(shí)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(jìn)用戶體驗(yàn)”的產(chǎn)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(shè)計(jì)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(yàn)，并以之支持交互界面的設(shè)計(jì)，這依然是非常復(fù)雜的問題。幸而在各領(lǐng)域?qū)W者的努力下，此領(lǐng)域已有許多成功的理論或?qū)嵺`得以依循。在這方面最重要的一項(xiàng)就是關(guān)于直覺交互中的手勢問題，它旨在解決人機(jī)交互場景中用什么有效的手勢去操作計(jì)算機(jī)。由于手勢不受傳統(tǒng)輸入設(shè)備的限制，它天然地與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)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(shí)應(yīng)用，直覺交互界面也是其中的研發(fā)熱點(diǎn)。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(qiáng)調(diào)的是，隨著普適計(jì)算(ubiquitous computing)這個(gè)概念在強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)硬件的支持下漸漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種直覺交互界面已成為人機(jī)交互的核心任務(wù)。普適計(jì)算要求計(jì)算機(jī)設(shè)備可以感知周圍環(huán)境的變化并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，在這一過程中如果交互界面做不到直覺易用，那么其計(jì)算機(jī)人性化的核心價(jià)值也就無從體現(xiàn)了。由此，直覺交互界面的理論與實(shí)踐必將日益凸顯其無比的重要性和關(guān)鍵性。
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