虚拟现实中远距离放置任务的人类操作特性与模型

发布时间：2020-08-09 15:52

【摘要】：研究人类在虚拟环境中的操作行为表现和建立运动行为模型非常重要,将为三维用户界面设计提供重要的参考依据。远距离放置任务是VR中最基本、最常见的任务之一,该任务要求将一个远距离(超过操作者手臂可接触范围)的虚拟物体又快又准地放入到指定的目标区域内。然而目前还不清楚基于放置任务的人类操作表现,本文通过八项研究系统探索了与人的行为表现有关的三种影响因素:任务本身的因素、交互工具和操作环境。在研究一中,被试使用手柄通过虚拟射线的方式完成远距离放置任务。我们将移动过程划分成三个阶段:加速阶段、减速阶段和调整阶段。实验结果显示加速阶段操作时间随着移动物体大小的增大而减少,随着移动距离的增大而增加;减速阶段操作时间只与移动距离有关;而调整阶段同时受移动物体大小、移动距离和目标物容差的影响。并且我们在没有纹理背景和头控交互情况下观察到了相似的数据结果。因此我们根据不同阶段的影响因素,建立了三阶段模型,模型能够很好的拟合和预测放置操作任务的人类行为表现。在研究二中,我们进行了两个实验探索深度对使用手柄完成放置任务的操作时间的影响。结果显示,当采用几何量表达参数时,深度在减速阶段和调整阶段对操作时间有显著影响。但是当使用角度量表达参数时,深度对操作时间的影响消失了。该结果表明深度参数的影响可以被其他参数代替,在VR中使用角度量比几何量表达参数更合适。研究三探索了移动方向对操作时间的影响。我们发现总时间与移动方向之间呈正弦函数关系,但方向在三个阶段的影响不同。因此我们对三阶段模型进行了修改,增加了方向参数,模型仍然能够很好地解释数据变化。研究四比较了头控和眼控的操作效率以及各自的优势。结果显示,头控操作在调整阶段有很好的稳定性,而眼控操作在加速和减速阶段有很高的移动效率。特别地,当移动距离在30°到50°之间,且目标物容差超过9°时,眼控的操作效率高于头控。研究五提出了一种结合头控和眼控的操作方法,即利用眼控完成加速和减速阶段,头控完成调整阶段。实验结果显示头眼结合方法的操作效率显著高于头控和眼控,并且证明了以速度作为结合点的方法比以位置作为结合点的方法效率更高。研究六和研究七分别探讨了改变显示 控制增益值是否能够提高头控和眼控的操作效率。实验结果显示,在加速和减速阶段设置大于1.0的增益值能够显著提高头控的操作效率,最佳增益值在1.3到1.5之间,但是在调整阶段设置小于1.0的增益值对眼控操作没有显著的帮助作用。在研究八中,我们探索了身体朝向对头控操作时间的影响。结果显示身体向前偏转的操作时间最短,向后偏转的操作时间最长。另外,当身体偏转角度超过45°后,头控的操作表现显著下降。综上所述,本文的研究结果为虚拟现实环境中的用户界面设计评估提供了一种量化的框架,并且我们的三阶段模型为虚拟现实应用的设计人员提高设计效率提供了重要的指导建议。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：B842.1
【图文】：

2图 1-1：虚拟现实中三维用户界面设计与人的行为表现的联系注：图 a 来源于 http://magazine.cyzone.cn/article/199732.html。VR 中人的行为表现与多种因素有关，主要包括操作任务、交互工具和外境，并且这些因素之间可能存在交互作用，比如使用相同的交互工具在完成的操作任务时人的表现可能不同。由于 VR 操作任务的多样性和复杂性，本将选取一种最基本、最常见的操作任务作为出发点，系统研究人在完成该任的操作表现（图 1-1）。

华东师范大学博士学位论文放置操作是 VR 中使用最频繁的操作任务之一，比如游戏中将一个小方块放置到更大的方块上面（图 1-2a）、虚拟购物中将虚拟商品放入购物车（图 1-2b）等，研究放置操作的相关因素对人的操作表现的影响将对三维用户设计有重要帮助，但是目前还不清楚放置操作如何影响人的行为表现。本论文将聚焦于 VR 中远距离放置操作任务的相关研究，探讨放置任务本身的影响因素、完成放置任务的不同交互工具以及操作环境对人的行为表现的影响。在进入详细研究前，我们将对过去相关的研究进展进行梳理，从而确定本研究需要解决的问题和研究路线。本章将先对虚拟现实中的视觉输出设备和交互技术进行简单回顾，然后详细描述放置操作任务的相关研究、运动操作过程中的人类运动行为模型、VR 中重要交互工具的操作特性、以及操作环境的研究进展。

得投影的左眼图像只能进入人的左眼，投影的右眼图像进入右眼，从而产生立体的图像。由于用户在观看的过程中仍然能够看到周围的环境，因此不是全封闭式，对沉浸感有一定影响（图1-3a）。头戴式显示器则是全封闭式的呈现设备，由两

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