直接操縱與虛擬環(huán)境

1、5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱虛擬現(xiàn)實(shí)（簡(jiǎn)稱VR）：）：是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為主，綜合利用計(jì)算機(jī)圖形、 圖像、可視化、人機(jī)交互、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算等許多領(lǐng) 域的技術(shù)。是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)。生成一個(gè)逼真的三維視覺(jué)、觸覺(jué)以 及嗅覺(jué)等感覺(jué)世界，讓用戶可以從自己的視點(diǎn)出發(fā)，利用自身的功能和一 些設(shè)備對(duì)所產(chǎn)生的虛擬世界這一客體進(jìn)行瀏覽和交互式考察。 虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)：虛擬現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)：浸沉感、交互性和構(gòu)想性 浸沉感：指的是人浸沉在虛擬環(huán)境中，具有和在真實(shí)環(huán)境中一樣的感覺(jué) 交互性：指在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)者不是被動(dòng)地感受，而是可以通過(guò)自己的 動(dòng)作改變感受的內(nèi)容 構(gòu)想性：

2、指虛擬的環(huán)境是人構(gòu)想出來(lái)的，因而可用于實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)的用 途 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類：虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)大體可分為四類： 1、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 也稱窗口中的VR。它可以通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)和低級(jí)工作站進(jìn)行仿真， 將計(jì)算機(jī)的屏幕作為用戶觀察虛擬世界的一個(gè)窗口。所以成本較低， 功能也最簡(jiǎn)單，主要用于建筑設(shè)計(jì)、桌面游戲等領(lǐng)域。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 2、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺(jué)。它利用頭盔式顯示器 或其它設(shè)備，把參與者的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和其它感覺(jué)封閉起來(lái)，并提供一 個(gè)新的、虛擬的感覺(jué)空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、

3、其它手控 輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身臨其境、全心投入和沉浸其 中的感覺(jué)。常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有：基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程存在系統(tǒng)。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 3、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 它在因特網(wǎng)環(huán)境下，充分利用分布于各地的資源，協(xié)同開(kāi)發(fā)各種 虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。它通常是沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的發(fā)展，也就是把分布 于不同地方的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，共同實(shí)現(xiàn) 某種用途。目前最典型的分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是SIMNET(模擬網(wǎng)絡(luò))， SIMNET由坦克仿真器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接而成，用于部隊(duì)的聯(lián)合訓(xùn)練。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 4、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)

4、系統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)又稱混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 它把真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境結(jié)合起來(lái)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)增強(qiáng)參 與者對(duì)真實(shí)環(huán)境的感受，也就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中無(wú)法感知或不方便的感受。 典型的實(shí)例是戰(zhàn)機(jī)飛行員的平視顯示器，它可以將儀表讀數(shù)和武器瞄 準(zhǔn)數(shù)據(jù)投射到安裝在飛行員面前的穿透式屏幕上，它可以使飛行員不 必低頭讀座艙中儀表的數(shù)據(jù)，從而可集中精力盯著敵人的飛機(jī)或?qū)Ш?偏差。 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用 飛行模擬器飛行模擬器 他們的設(shè)計(jì)員努力為戰(zhàn)斗機(jī)和民航的飛行員創(chuàng)建最真實(shí)地體驗(yàn)。駕 駛艙的顯示器和控制器都是真實(shí)的。而窗戶用高分辨率的計(jì)算機(jī)顯示器 代替，精心編制聲音，給人真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和反推力的效果。在爬升 和轉(zhuǎn)彎期間的振動(dòng)和傾斜

5、，有液壓千斤頂和復(fù)雜的懸架系統(tǒng)創(chuàng)建。這樣 使訓(xùn)練更安全、更有用。 建筑建筑 建筑師一直使用計(jì)算機(jī)來(lái)繪制具有用戶生成內(nèi)容的、建筑物的三維 表示。他們的設(shè)計(jì)工具把建筑物顯示在標(biāo)準(zhǔn)的顯示器上，但使用投影儀 來(lái)創(chuàng)建墻面，這樣就給預(yù)期客戶更逼真的效果。現(xiàn)在又通過(guò)在踏車上行 走增加動(dòng)畫效果，允許客戶穿過(guò)門或上樓梯。最后用頭盔顯示器代替投 影儀，用頭部追蹤監(jiān)視頭部移動(dòng)。 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用 醫(yī)生醫(yī)生 外科醫(yī)生能夠通過(guò)“察看”視頻圖像而受益，這些圖像來(lái)自病人心臟內(nèi) 部，通過(guò)光纖照相機(jī)拍得，使用了將浸入式手術(shù)減少到最少的遠(yuǎn)程直接 操縱設(shè)備，但是醫(yī)生似乎不想要那種戴著頭盔顯示器在病人體內(nèi)的沉浸 式體驗(yàn)。手術(shù)計(jì)劃

6、和遠(yuǎn)程操作也能用于現(xiàn)實(shí)在桌面顯示器上并被手持式 支架導(dǎo)引的三維“察看”可視化來(lái)完成。 虛擬現(xiàn)實(shí)的遙現(xiàn)方面打破了空間的物理限制，允許用戶表現(xiàn)的似乎他 們?cè)趧e的地方。 虛擬環(huán)境已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功。如：虛擬世界可用于治療恐高癥病 人，其方式是給病人一種能控制視角和移動(dòng)的沉浸式體驗(yàn)。安全的沉 浸式環(huán)境使患者可以自我調(diào)節(jié)以適應(yīng)令人驚懼的刺激。 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 成功的虛擬環(huán)境依成功的虛擬環(huán)境依賴多種技術(shù)平滑集成：賴多種技術(shù)平滑集成： 視覺(jué)顯示器 頭部位置傳感器 手部位置傳感器 手持操縱 力反饋與觸覺(jué) 聲音的輸入與輸出 其他傳感器 協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 視覺(jué)視覺(jué)顯示器：顯示器：

7、 處于正常的觀看距離、正常尺寸的計(jì)算機(jī)顯示器對(duì)向一個(gè)大約 5的角度；大屏幕顯示器能覆蓋2030的范圍，頭盔顯示器覆 蓋的水平范圍為100、垂直范圍是60。 頭盔顯示器阻擋其他圖像，所以其效果更具有戲劇性，并且頭部 移動(dòng)能產(chǎn)生新的圖像，所以用戶能得到360覆蓋范圍的效果。 飛行模擬器也能阻擋外來(lái)的圖像，但它們不強(qiáng)迫用戶戴上有笨重 的頭盔顯示器能做到這點(diǎn)。 另一種方法是裝在吊桿上的顯示器，它感知用戶的位置而不要求他們 戴上沉重的護(hù)目鏡。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 頭部位置傳感：頭部位置傳感： 頭盔顯示器能夠提供依賴于頭部位置的不同視圖。向右看，能看 到森林；向左看，森林被城市替代。有些頭部跟蹤器戴

8、起來(lái)可能很笨 重，但嵌入帽子或眼睛中的較小變體便于移動(dòng)。頭部位置的視頻識(shí)別 時(shí)可能的。傳感器精度應(yīng)該是高且快的。識(shí)別注意點(diǎn)的眼動(dòng)跟蹤可能 是有用的，但當(dāng)用戶正在移動(dòng)和正在戴頭盔顯示器時(shí)，卻難以完成。 手部位置傳感：手部位置傳感： 數(shù)據(jù)手套是一項(xiàng)被持續(xù)改進(jìn)的創(chuàng)新發(fā)明，其改進(jìn)是針對(duì)舒適性、 準(zhǔn)確性和采樣率。手指位置的準(zhǔn)確測(cè)量?jī)H關(guān)系到1個(gè)或2個(gè)手指甚至1 個(gè)或2個(gè)關(guān)節(jié)。裝在手套或手腕上的6自由度跟蹤器提供手的方位。人 體其他部位，如膝蓋、臂或腿的傳感器正用于體育訓(xùn)練和移動(dòng)捕捉。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 手持操作：手持操作： 富于想象力的方法包括了電動(dòng)手術(shù)工具和小玩偶。用戶能夠操作 這些物體產(chǎn)生輸入

9、、運(yùn)行設(shè)備、創(chuàng)作繪畫或制作雕塑。一種變體，經(jīng) 常稱為“微型世界”，它有房子或科學(xué)儀器的小模型，用戶能夠操縱它 們來(lái)創(chuàng)建在更大的現(xiàn)實(shí)世界物體上的操作，通常在遠(yuǎn)距離位置。 力反饋與觸覺(jué)：力反饋與觸覺(jué)： 用于完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)或處理核原料的手動(dòng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備提 供力反饋，給予用戶抓住或碰到物體時(shí)的良好感覺(jué)。對(duì)汽車司機(jī)和飛 行員的力反饋，精心配置以提供真實(shí)有用的觸覺(jué)信息。軟件模型的反 饋在加速執(zhí)行具有復(fù)雜分子的對(duì)接任務(wù)方面是成功的。對(duì)外科醫(yī)生來(lái) 說(shuō)，在他們進(jìn)行困難的手術(shù)時(shí)感受到力反饋，可能是有幫助的。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 聲音的輸入與輸出：聲音的輸入與輸出： 聲音的輸出增加了彈跳的球、跳動(dòng)的心臟

10、或掉下的花瓶的真實(shí)性， 視頻游戲設(shè)計(jì)人員早就發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)。在正確的時(shí)刻發(fā)出具有全三維 效果的、使人信服的聲音是可能的，但也是一項(xiàng)困難的工作。數(shù)字聲 音硬件是足夠的，但軟件工具仍不足夠。虛擬樂(lè)器的音樂(lè)輸出是有希 望的；這個(gè)領(lǐng)域中的大多數(shù)早期工作是模擬現(xiàn)有的樂(lè)器，但新奇的的 樂(lè)器也已經(jīng)出現(xiàn)了。用于啟動(dòng)動(dòng)作和做出菜單選擇的語(yǔ)音識(shí)別可能是 有用的，因?yàn)殒I盤和鼠標(biāo)的使用是受限制的。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 其他傳感器：其他傳感器： 飛行模擬器的傾斜和振動(dòng)可能為一些設(shè)計(jì)人員提供靈感。傾斜且 振動(dòng)的虛擬過(guò)山車已經(jīng)存在，如果用戶以每小時(shí)60,600或6000英里的 速度飛馳，并沖過(guò)高山或進(jìn)入軌道，那么甚至能

11、變得更流行。為什么 不包含帶有雨滴的、真實(shí)的陣風(fēng)，讓它變熱或變冷來(lái)表達(dá)虛擬天氣呢？ 最好，嗅覺(jué)計(jì)算已被嘗試過(guò)，但還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)恰當(dāng)?shù)膶?shí)際的應(yīng)用。 5.6 虛擬和增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí) 協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境：協(xié)同與競(jìng)爭(zhēng)的虛擬環(huán)境： 協(xié)同是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域，協(xié)同虛擬環(huán)境也一樣，一個(gè)開(kāi)發(fā)者 把它們稱作“孿生虛境”。這種環(huán)境允許處于遠(yuǎn)程場(chǎng)所的兩個(gè)人一起工 作，可能是設(shè)計(jì)一個(gè)物體，同時(shí)看到彼此的動(dòng)作和感興趣的對(duì)象。虛 擬壁球之類的競(jìng)爭(zhēng)游戲已經(jīng)開(kāi)發(fā)來(lái)供兩個(gè)玩家玩。當(dāng)設(shè)計(jì)從與計(jì)算機(jī) 對(duì)抗變成向其他坦克的成員設(shè)計(jì)和擔(dān)心他們攻擊時(shí)，用于訓(xùn)練陸軍坦 克乘員的軟件就變得更有吸引力。逼真的聲音創(chuàng)造的如此的投入感， 以至于乘員

12、體驗(yàn)到心率提高、呼吸更急促和排汗量增多。與之相反， 有些虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)帶來(lái)愉悅 和與他人的愉快相遇，以增強(qiáng)社會(huì)媒體 參與方面。 從業(yè)人員的總結(jié)：從業(yè)人員的總結(jié)： 在提供相同的功能性和可靠性的交互系統(tǒng)中，有些系統(tǒng)已經(jīng)顯現(xiàn) 出在競(jìng)爭(zhēng)中居于主導(dǎo)地位。 通常，具有吸引力的系統(tǒng)都有令人愉快的用戶界面，具有制定的 用戶生成內(nèi)容，提供任務(wù)對(duì)象和動(dòng)作的自然表示。這些界面易于學(xué)習(xí)、 使用和長(zhǎng)時(shí)間保持。新用戶能夠獲得動(dòng)作的簡(jiǎn)單子集，然后提高到更 精細(xì)的動(dòng)作。動(dòng)作是快速的、增量的和可逆的，能用物理移動(dòng)而不是 以復(fù)雜的語(yǔ)法形式來(lái)執(zhí)行。動(dòng)作的結(jié)果是立即可見(jiàn)的，需要出差消息 比以前少。 在界面中使用直接操作原則并不能確保其

13、成功。設(shè)計(jì)差、實(shí)現(xiàn)慢 或功能不適當(dāng)能夠損害驗(yàn)收。對(duì)某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，菜單選擇、表格填充 或命令語(yǔ)言可能仍是適當(dāng)?shù)摹Ｈ欢?，直接操縱編程、3D界面和遠(yuǎn)程 操作的潛力是巨大的。有吸引力的虛擬與增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)的演示正在應(yīng)用 于具有增強(qiáng)的社會(huì)交往、日益增長(zhǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)集合。迭代測(cè)試在測(cè)試 高級(jí)直接操縱系統(tǒng)方面特別重要，因?yàn)檫@些方法的新奇性可能給設(shè)計(jì) 人員和用戶造成出乎意料的問(wèn)題。 直接操縱的定義、好處和缺點(diǎn)：直接操縱的定義、好處和缺點(diǎn)： 定義： “動(dòng)作世界”的視覺(jué)表示 對(duì)象和動(dòng)作被顯示 模擬推理被選定 快速的、增量的和可逆的動(dòng)作 用指點(diǎn)和選擇替代鍵入 動(dòng)作結(jié)果的立即可見(jiàn)性 優(yōu)于命令的好處： 控制/顯示的兼容性 較

14、少的語(yǔ)法降低了出錯(cuò)率 錯(cuò)誤是可預(yù)防的 較快的學(xué)會(huì)和較高的記憶力 鼓勵(lì)探索 關(guān)注： 可能增加系統(tǒng)資源 有些動(dòng)作可能是麻煩的 宏技術(shù)經(jīng)常很弱 歷史和其他跟蹤可能是困難的 視覺(jué)障礙的用戶可能有較多困難 研究人員的議程：研究人員的議程： 需要通過(guò)研究來(lái)提高我們對(duì)每個(gè)直接操縱特性貢獻(xiàn)的理解：模擬 表示、增量動(dòng)作、可逆性、物理動(dòng)作而不是語(yǔ)法、結(jié)果的立即可見(jiàn)性、 圖形顯示和圖標(biāo)?？赡嫘匀菀淄ㄟ^(guò)普通的取消動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是為每 個(gè)動(dòng)作設(shè)計(jì)自然的反向動(dòng)作可能更具吸引力。 用直接操縱更好的表示復(fù)雜的動(dòng)作，但為了新用戶優(yōu)雅進(jìn)化成專 家用戶而使用的多層設(shè)計(jì)策略可能是一個(gè)主要貢獻(xiàn)。對(duì)專家用戶來(lái)講， 直接操縱編程仍是個(gè)機(jī)會(huì)，但需要好的方法來(lái)保存歷史記錄和編輯動(dòng) 作序列，還要更加關(guān)注用戶生成的內(nèi)容。 3D交互的誘惑十分巨大，但研究