虚拟实境未来的人机界面形式

摘要：虚拟实境向用户提供身临其境（immerse）和多感觉通道（multi-sensory）体验，作为一种未来的人机交互形式，虚拟现实技术比以前任何人机交互形式都有希望彻底实现和谐的、"以人为中心"的人机界面。本文探讨虚拟实境人机界面的特点和关键技术，着重解决了未来界面设计的主要问题——界面模型建立关键词：VRML 虚拟实境 人机界面 交互 虚拟现 实技术 1 序言 图形用户界面会被新的界面淘汰吗?新一代的用户界面将是什么样?这些是很多人感兴趣的问题。在你烦恼的时候，想吹海风、听海浪、看雪山、小桥流水、将你卧室的窗户推开吧，而不论你在哪里！将会为你完成这一切，虚拟实境（cyberspace）是由计算机生成的、模拟人类感觉的世界的实时表示，有时也被称之为虚拟现实（virtual reality简称VR）。这里的“世界”是指具有真实感的立体图形，它既可以是某种特定现实世界的真实再现，也可以是纯粹构想的世界。操作者可以通过视觉、听觉、触觉、力觉等与之交互，从而能产生“身临其境”场景2虚拟现实系统中的人机交互界面. 2 虚拟现实系统中的人机交互界面 2.1 基本概念 （Cyberspace）虚拟实境是一种新的人机界面形式，通过计算机和其它交互设备产生一个虚拟环境（物理现实的仿真），使参与者有“身临其境”的感觉，能用人类自然的技能和感知能力与模拟世界中的对象进行交流。虚拟现实具有三个最突出的特征，即人们称道的 “3I”特性：交互性（interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）和构想性（imagination） [1]。应用前途非常广阔，最早出现在电视，游戏及娱乐业，目前的应用重点正转向工业和商业方面。 2.2界面特征 新一代界面的主要特征可描述如下： （1）以用户为中心 以用户对界面的需求变化为出发点，使用户界面的外在形式和内部机制能符合不同用户的需要，这就是以用户为中心的设计思想。非特定人的连续语音识别技术将使计算机能理解人们的要求，是一种重要的输入界面和手段。鱼眼（Fisheye）技术使屏幕观察（或光标）位置附近的内容被放大，便于用户观察。在传统的人机系统中，人被认为是操作者，人去适应机器；在一般的人机系统中，人被称为用户，能与机器对话，但无主动控制能力；而在虚拟现实系统中，人才是主动的参与者，机器将对人的各种动作做出反应。 （2）多通道（Multimodality） 多通道界面旨在充分利用一个以上的感觉和运动通道的互补特性来捕捉用户的意向，从而增进人机交互中的自然性。人的感觉通道有视觉、听觉、触觉、嗅觉和平衡等；人的运动通道有手、嘴、眼、头、足及身体等。现在，计算机操作时，人的眼和手十分累，效率也不高。若将听、说和手、眼等协同动作，采用多通道、以自然方式交互，可以实现高效人机通信，也可以由人或机器选择最佳反应通道，从而不会使某一通道负担过重。 （3）非精确 精确交互技术是指能用一种技术来完全说明用户交互目的的交互方式，键盘和鼠标器均需用户精确输入。而人们的动作或思想往往并不很精确，计算机应该理解人的要求，甚至于纠正人的错误，智能化的界面是一个重要方向。 （4）高带宽 现在计算机输出的内容已经可以快速、连续地显示彩色图像，其信息量非常大。而人们的输入却还是使用键盘一个又一个地敲击，因而，计算机的输入带宽是很低的。新一代的用户界面应该支持高的输入带宽，快速大批量地输入信息。语音、图像及姿势等的输入和理解是今后的发展方向。 （5）不限制地点 目前,计算机主要是在办公室、实验室或家庭中使用，人们面对着计算机屏幕进 行操作，这种操作方式限制了计算机的应用。虽然已可用遥控器代替部分动作，但用望远镜看屏幕似不方便，而采用语音输入输出或其它计算机视觉（摄像输入）技术，则可不受地点的限制。 3 虚拟实境模型的建立 一个未来的界面能使最终用户能完全投入于自己要完成的工作，无需耗费精力于界面操作，甚至进入一个同现实完全一样的虚拟世界，为此模型的建立至关重要。下面探讨的模型结合用户的特征，充分利用虚拟现实系统及人机界面的基本理论知识、多通道用户界面的关键技术、VRML、软件工程，知识工程的原型方法及其它相关知识来进行。 理想中界面模型的建立可分为3个主要步骤:①角色模型的建立;②目标模型的建立;③工作模型的建立。以下将分别论述。 3.1 角色模型的建立 角色模型包括用户的重要特征.一般情况下，很难将每个用户模型化，但通过引入“角色”，可将不同的用户的重要特征集中于其一身。我们可用每个角色代表一类用户。一般情况下，很难用一个角色代表所有的用户。 为便于区别每个角色，应给每个角色起个适当的名字，然后加上适当的描述。 3.2 目标模型的建立 目标模型是要完成的任务的优先级别列表，每个工作都有自己的目标，工作目标包括多个方面，每个方面的优先级别各不一样。设计用户界面就是在不同的设计方案中进行选择，如知道用户的最重要的任务，将会使这种选择变得容易一些.为了确定每个角色的最重要任务，我们可将角色的每一种任务的优先级数赋予一个权值，一般可选2一3种优先级别最高的任务，用户的界面应能使用户方便地完成这些任务。但是各种角色的任务优先级别可能会发生严重的冲突，这时，可将各个角色的使用计算机及相关平台的总时间及角色的重要性等作为判断标准，以决定哪个任务是最重要的任务。 3.3 工作模型的建立 工作模型是对用户工作的描述及所需信息和操作等。 3.3.1工作集:工作集是指由一系列相关联且没有顺序要求的由一个角色所需完成的任务的总和。在一个组织内的每位员工总是负责一定的事务，职责在这里被描述为工作集.如售货员的职责可描述为由售货和结帐组成的工作集。售货员工作集内的任务属于日常事务类型。 3.3.2信息对象和方法:每个角色的工作集都与信息密切相关，在设计界面时，应时刻牢记:使用户能方便地使用所需信息.可把用户对信息的需求及期望的功能定义为信息对象和方法。为了能确保用户要求的信息不致漏掉，应以用户的工作术语来描述信息对象和方法而非用计算机术语。 为了定义信息对象，需要相对完整的数据模型，可将工作集内的每个实例定义为若干个信息对象，信息对象间可有继承和关联关系。而对信息处理的功能要求可用任务集实例与信息对象相关联的方法来描述。 3.3.3 对象的数目属性和操作 在VRML中，类模型定义了每个类的所具有的属性和方法（同面向对象语言有相似之处），但有些与界面设计相关联的属性并没有在数据模型中得以完整地描述，为了设计让用户满意，应给予详细地描述。我们知道有时用户需要同时对同一信息从不同的方面来观察，为此，设计界面时，应对完成某一任务所牵涉到的信息对象做到一清二楚。 对信息对象的操作特征的了解也很重要，如能知道用户经常使用哪些操作，便可对此类操作安排捷径键，这样便可节省用户的操作时间，使界面更真实。 3.3.4 协调好相关人员 用户、交互设备设计人员和软件工程师在界面设计中所起的作用各不相同，交互设备设计人员是用户和软件工程师沟通的桥梁，应负责协调好3者的关系，只有这样才能决定人机对话的类型，设计出真实的虚拟世界。 用户精通自己的行业，交互设备设计人员应多与用户接触，最好能在用户工作时了解任务特点，理解用户的心理特征，这样更有利于抓住重点，并用真实实用的方法体现于界面设计之中。软件工程师是人机界面的最终实现者，大都有丰富的编程经验，但往往缺乏与用户的沟通，缺乏人机界面设计的经验和生活常识。交互设备设计人员应与软件工程师经常交流，确保界面整体的真实性得以最终实现。 4 结论 本文介绍了虚拟实境属于未来的人机界面。通过虚拟现实系统及人机界面的基本理论知识、多通道用户界面的关键技术、虚拟现实建模语言VRML,软件工程、知识工程的原型方法及其它相关知识，提出了虚拟现实系统人机界面模型的建立。这种模型建立方法的特点在于将整体架构一分为三，模块化后使其各司其职，大大提高了设计速度和实际应用的效率. 虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合性信息技术。由于它生成的环境是类似现实的、逼真的，人机交互是和谐友好的，因此虚拟现实技术将一改人机之间枯燥、生硬和被动的现状，将人们陶醉在流连忘返的工作环境之中。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，虚拟现实在诸多方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和强大的技术驱动。它的发展，将从根本上改变人们的工作方式和生活方式.