淺談虛擬現實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)中的交互技術(shù)的論文
摘要：為了順應虛擬現實(shí)在教育領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢，提出了基于HTC Vive的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)，而開(kāi)發(fā)過(guò)程的核心就是交互技術(shù)的實(shí)現，通過(guò)對交互設備的分析，從輸入設備和輸出設備兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行交互技術(shù)的詳細研究，并通過(guò)交互技術(shù)在教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)中提供的理論和技術(shù)支持來(lái)闡述虛擬現實(shí)環(huán)境下教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的必要性與科學(xué)性
關(guān)鍵詞：虛擬現實(shí)；反饋；交互；用戶(hù)界面；教學(xué)軟件
中圖分類(lèi)號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0086-03
Abstract： In order to conform to the inevitable trend of the development of virtual reality in the field of education， the development of teaching software Based on Vive is put forward， realizing interactive technology is the core of the development process. By analysis of interactive devices， a detailed study of the interactive technology from two aspects of input and output devices is commissioned， and with the support of theory and technology of interactive technology in teaching software development， expounding the necessity and scientificalness of the development of teaching software in virtual reality environment.
Key words： virtual reality； feedback； interaction； user interface； teaching software
虛擬現實(shí)的出現使得教育手段更加完善，教學(xué)環(huán)境逐步趨于虛擬化，教學(xué)與虛擬現實(shí)的結合為教育教學(xué)開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，教學(xué)方法也更加具備科學(xué)性和真實(shí)性。如今虛擬現實(shí)的迅速發(fā)展，無(wú)疑將開(kāi)啟一種新的教學(xué)模式——身臨其境的教學(xué)模式，相比傳統實(shí)驗室教學(xué)更
具備安全性，相比傳統的情景式教學(xué)更具備情境性。HTC Vive教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)核心是真實(shí)的交互體驗，交互技術(shù)的實(shí)現對于教學(xué)效果的體現是成正比的。HTC Vive是基于PC端的，所以交互技術(shù)是從輸入和輸出設備兩方面來(lái)體現。
1 VR中的輸入輸出設備
一個(gè)完整的虛擬現實(shí)教學(xué)軟件系統包括五個(gè)部分：虛擬學(xué)習場(chǎng)景、計算機、VR教學(xué)軟件、輸入設備和輸出設備。所以教學(xué)中的交互必須在這幾個(gè)部分中實(shí)現，虛擬頭顯的操作基本已經(jīng)脫離鼠標和鍵盤(pán)的操作，依靠的是手柄、游戲桿或遙控器等媒介來(lái)實(shí)現，我們與虛擬世界的連接點(diǎn)在于頭顯中的視屏和手柄設備，也就是輸入設備和輸出設備，對于計算機和虛擬世界并沒(méi)有直接聯(lián)系，VR軟件作為一個(gè)媒介連接電腦與設備，所以交互技術(shù)最終要實(shí)現在輸入與輸出設備上，輸入設備的交互實(shí)現主要是通過(guò)對設備的觸摸、移動(dòng)和按壓等，輸出設備的交互實(shí)現主要體現在聲音反饋和震動(dòng)反饋等。因此，交互技術(shù)的開(kāi)發(fā)主要圍繞這兩個(gè)部分來(lái)展開(kāi)。一個(gè)完整的虛擬現實(shí)學(xué)習系統如下圖：
1.1 輸出設備
交互最終的效果體現在對使用者五官的刺激上，基于輸出設備的交互方式大多通過(guò)聽(tīng)覺(jué)來(lái)實(shí)現，目前為止，只有極少數的虛擬現實(shí)設備能夠實(shí)現對嗅覺(jué)與特殊觸覺(jué)的刺激。這種基于輸出設備交互技術(shù)在教學(xué)中的較為簡(jiǎn)單的體現就是聲音與震動(dòng)的反饋。
1.1.1 聲音反饋
HTC Vive交互中聲音的反饋來(lái)自于電腦的聲卡的輸出功能，外接耳機與音響就是將聲卡的輸出功能具體化，聲音反饋本質(zhì)上就是一種交互，是人作用于虛擬世界后產(chǎn)生的效果以聲音的形式展現出來(lái)。這種交互形式相對簡(jiǎn)單，也是我們平時(shí)最為常見(jiàn)的一種交互形式。
1.1.2 震動(dòng)反饋
震動(dòng)反饋看似復雜，但是對于程序的編寫(xiě)人員來(lái)說(shuō)實(shí)現卻相當容易，引入VRTK工具包就可通過(guò)簡(jiǎn)單的設置震動(dòng)的Strength（強度）、duration（持續時(shí)間）以及pulseInterval（震動(dòng)間隔）來(lái)調節震動(dòng)反饋的效果，強度的范圍一般為0-3999，所以在不同的場(chǎng)景中，震動(dòng)的反饋方式可以實(shí)現多樣化，以呈現出更逼近真實(shí)的體驗。這種震動(dòng)反饋也只是簡(jiǎn)單的觸覺(jué)體驗，而對于在特殊場(chǎng)景下產(chǎn)生的特殊觸覺(jué)卻依舊無(wú)法實(shí)現。這種震動(dòng)反饋可應用于教學(xué)開(kāi)發(fā)中的直接傳遞給學(xué)習者的一種實(shí)質(zhì)性提示。
1.2 輸入設備
傳統的基于移動(dòng)端或PC端的教學(xué)軟件交互主要是通過(guò)鍵鼠和屏幕操作來(lái)實(shí)現，而HTC Vive依賴(lài)于輸入設備的交互形式主要是通過(guò)對輸入設備的觸摸和按壓等，并且HTC Vive虛擬現實(shí)設備可通過(guò)一種激光定位的形式將捕捉到的動(dòng)作轉換為數據錄入電腦，然后通過(guò)分析數據將動(dòng)作在虛擬世界中再現從而實(shí)現一種交互，這種交互技術(shù)在x-box和一些電視一體游戲機中也有過(guò)一定的體現。
輸入設備是教學(xué)軟件中交互技術(shù)的主要載體，基于HTC Vive的輸入設備主要包括激光定位器，頭戴顯示器和手柄，手柄作為虛擬現實(shí)交互的主要媒介也是交互技術(shù)開(kāi)發(fā)的重中之重。
2 VR教學(xué)軟件中的交互技術(shù)
虛擬現實(shí)促使教學(xué)模式發(fā)生改變，交互技術(shù)的支持突破了傳統的教師掌握課堂模式，學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行學(xué)習，有利于創(chuàng )新思維和能力的開(kāi)發(fā)。幾種友好的UI界面和立體展示的接近真實(shí)的學(xué)習環(huán)境很大程度上提升了學(xué)生學(xué)習興趣，進(jìn)而提高學(xué)習效率。endprint
2.1 激光定位技術(shù)
HTC Vive虛擬現實(shí)設備中自帶有激光定位器，通過(guò)定位器我們可以直接實(shí)現場(chǎng)景內外漫游的同步，用戶(hù)可以很容易實(shí)現兩種漫游模式，站立式與房間模式，但 HTC Vive激光定位器的內部設計較為復雜，在2016-2017年間，加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的一名虛擬現實(shí)研究人員Oliver Kreylos詳細的分析了HTC Vive的激光定位器，這篇分析涉及了定位器的更新頻率與延遲、跟蹤抖動(dòng)、慣性定位推算、漂移校正以及準確度等幾個(gè)方面，這對于Vive開(kāi)發(fā)人員可以說(shuō)是非常好的一件事，盡量降低不必要的誤差，提高準確率，實(shí)現高效率、高精確度、高仿真的交互。這種室內動(dòng)作和定位的技術(shù)對于虛擬實(shí)驗室這類(lèi)區域性教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)有著(zhù)突破性的價(jià)值。
實(shí)驗室教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，親身實(shí)驗的效果遠比單純的理論教學(xué)更有說(shuō)服力，并且能夠產(chǎn)生更好的學(xué)習效果。但是教學(xué)實(shí)驗的時(shí)間、空間問(wèn)題矛盾較為突出。昂貴的設備和實(shí)驗材料經(jīng)費是主要矛盾，而基于HTC Vive的虛擬現實(shí)實(shí)驗很好地避免了這個(gè)問(wèn)題，時(shí)間不限，足不出戶(hù)便可實(shí)驗。同時(shí)生物和化學(xué)方面的實(shí)驗危險性也是極其突出的矛盾，而交互技術(shù)支持下的虛擬現實(shí)實(shí)驗將沒(méi)有任何危險性，但是又與現實(shí)實(shí)驗有接近同樣的體驗。
2.2 手柄交互技術(shù)
在教學(xué)手段方面，相對傳統基于移動(dòng)和PC端的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)而言，交互技術(shù)的加入使得互動(dòng)式的啟發(fā)教學(xué)尤為明顯，尤其體現在對手柄的操作。身臨其境、自主控制的人機交互，視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)的生動(dòng)展示提供了生動(dòng)活潑的直觀(guān)形象思維材料，形成知識點(diǎn)，將原本平面化的事物展示在眼前。
手柄是教學(xué)中實(shí)現交互的最重要設備，如通過(guò)菜單按鈕、touchPad、系統按鈕、扳機鍵和側面的手柄按鈕等。首先通過(guò)手柄實(shí)現交互的最簡(jiǎn)單方式就是觸碰，不需要任何按鍵，如在一些虛擬世界中，我們需要將手柄做成教學(xué)軟件中需要的模型，那么觸碰就是必不可少的交互方式，以Unity游戲引擎開(kāi)發(fā)為例，這種交互技術(shù)的實(shí)現與傳統的教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)中Trigger（觸發(fā)器）的實(shí)現原理一致，在手柄模型接觸到物體、停留在物體中和離開(kāi)物體時(shí)，分別調用Unity內置的'OnTriggerEnter、OnTriggerStay和OnTriggerExit函數并在函數內實(shí)現相應的功能即可，這種交互技術(shù)在由電腦屏幕操作到虛擬現實(shí)操作轉變過(guò)程中其本質(zhì)原理是不變的，只是在展示給用戶(hù)的使用形式上發(fā)生了改變，所以相對于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，由普通的2D和3D電腦手機游戲轉向虛擬頭顯游戲開(kāi)發(fā)過(guò)程中，這種交互技術(shù)是最容易理解和掌握的。
再者就是HTC Vive虛擬現實(shí)教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)不同于傳統教學(xué)軟件開(kāi)發(fā)的交互技術(shù)，總體來(lái)說(shuō)可以歸結為一種UI的交互，在Stream平臺中，成型的基于HTC Vive的教學(xué)軟件已經(jīng)越來(lái)越多，但是交互技術(shù)可以說(shuō)是萬(wàn)變不離其宗，其中一部分是通過(guò)手柄下方的Trigger扳機鍵來(lái)實(shí)現虛擬環(huán)境中按鈕的打開(kāi)與關(guān)閉，這方面與傳統的Unity開(kāi)發(fā)按鈕的使用原理也不盡相同，但是大部分項目使用的是最為常用的交互技術(shù)——射線(xiàn)交互，用戶(hù)在使用手柄過(guò)程中可在虛擬環(huán)境中的手柄上端發(fā)射出一條激光指針，通過(guò)指針與另一端的UI進(jìn)行交互，這種交互技術(shù)主要是通過(guò)引用VRTK中的SimplePointer來(lái)實(shí)現，通過(guò)動(dòng)態(tài)的設置射線(xiàn)接觸UI的過(guò)程中UI產(chǎn)生的顏色和形式的變化來(lái)實(shí)現交互，這種交互技術(shù)脫離了傳統媒介的交互模式，充分地展現了虛擬學(xué)習場(chǎng)景中獨具時(shí)代感的交互模式，在虛擬學(xué)習場(chǎng)景中實(shí)現了未來(lái)康寧玻璃式的交互方式，并且充分展示了手柄的獨特與靈活之處，所以這種射線(xiàn)交互技術(shù)得到了最為廣泛的使用。同時(shí)另一種射線(xiàn)交互Bezzier Pointer，也就是我們常說(shuō)的貝塞爾曲線(xiàn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的接觸TouchPad就可以在虛擬學(xué)習場(chǎng)景中實(shí)現瞬移，TouchPad就相當于整個(gè)虛擬學(xué)習場(chǎng)景地面，通過(guò)手在TouchPad上滑動(dòng)取點(diǎn)，就可在虛擬學(xué)習場(chǎng)景中選擇對應的瞬移終點(diǎn)，這種交互技術(shù)將虛擬世界復雜的不規則曲線(xiàn)運動(dòng)變得規則，同時(shí)又解決了虛擬現實(shí)項目運行所需的空間限制問(wèn)題，僅需站立模式就可實(shí)現房間模式所能實(shí)現的效果，將Bezzier曲線(xiàn)巧妙地應用于虛擬教學(xué)中，可以說(shuō)這種交互技術(shù)實(shí)現了一舉多得的效果。
最后一種利用手柄實(shí)現的交互技術(shù)我們稱(chēng)之為手柄菜單，簡(jiǎn)單的手柄菜單就是在虛擬手柄上方添加一個(gè)UI，可通過(guò)編寫(xiě)手柄按鍵來(lái)實(shí)現UI的隱藏與顯示；稍微復雜的手柄菜單也就是RadiaMenu（環(huán)形菜單），通過(guò)將RadiaMenu 預制體綁定到對應的控制器下，并設計環(huán)形菜單的圖案與點(diǎn)擊事件來(lái)完成編寫(xiě)，用戶(hù)可通過(guò)滑動(dòng)觸摸TouchPad來(lái)選擇對應的環(huán)形菜單按鈕從而實(shí)現交互。這種手柄菜單也是目前Vive開(kāi)發(fā)中較為常用的一種交互技術(shù)。
2.3 頭顯凝視技術(shù)
學(xué)習者在學(xué)習過(guò)程中，交互形式多種多樣，而最為簡(jiǎn)單的一種方式就是用眼睛觀(guān)看，這種技術(shù)在以往任何形式的教學(xué)軟件中都未曾實(shí)現，但是基于HTC Vive的虛擬現實(shí)教學(xué)軟件卻可以實(shí)現，這種交互技術(shù)叫做凝視，凝視反映出頭顯在作為一種輸出設備的同時(shí)，也可作為一種輸入設備。
SteamVR_GazeTracker（凝視）是一種在沒(méi)有手柄等輸入設備的情況下，可以通過(guò)眼睛盯著(zhù)某個(gè)物體看來(lái)實(shí)現的一種視點(diǎn)交互。我們只需要將輔組類(lèi)添加到我們想要凝視的物體上，比如菜單等，就可以實(shí)現凝視的功能，這是不依靠其他設備，直接通過(guò)頭顯實(shí)現的一種交互技術(shù)。
凝視的原理實(shí)際上是從頭盔的位置發(fā)出一條射線(xiàn)判斷是否與物體相交來(lái)做選中或者交互的。而且因為凝視的精確度不高，所以沒(méi)有做直接與物體相交，而是在物體的位置創(chuàng )建了一個(gè)平面，通過(guò)射線(xiàn)與平面相交的交點(diǎn)的位置與物體的距離來(lái)大概判斷的。這個(gè)距離值是可以調的，主要是對Gaze In Cutoff和Gaze Out Cutoff兩個(gè)參數設置來(lái)調整是否選中的距離。
頭戴顯示器交互的實(shí)現直接決定虛擬教學(xué)的沉浸程度。就角色層面而言，交互技術(shù)支持下的操作具備很強的沉浸性和交互性，比如虛擬駕校學(xué)習軟件出現使得學(xué)生在虛擬環(huán)境中完全扮演一個(gè)學(xué)徒的角色，全身心的投入環(huán)境中，體驗著(zhù)只有真實(shí)駕校才可能有的體驗，這對后面真實(shí)的學(xué)習起著(zhù)一種過(guò)渡作用，角色化的學(xué)習更有利于對技能的掌握。
3 結束語(yǔ)
隨著(zhù)虛擬現實(shí)技術(shù)和開(kāi)發(fā)引擎的不斷發(fā)展，目前尚未成熟的基于HTC Vive虛擬現實(shí)設備的交互技術(shù)的開(kāi)發(fā)也會(huì )逐步完善。這使得虛擬現實(shí)新領(lǐng)域的探索成為了未來(lái)教育發(fā)展的一種必然趨勢，HTC Vive這類(lèi)沉浸式頭戴顯示器的開(kāi)發(fā)程度也會(huì )逐漸提升，更多的基于HTC Vive的交互技術(shù)將被開(kāi)發(fā)出來(lái)，更多種的交互方式將被應用在教育教學(xué)之中，跟隨時(shí)代的步伐，掌握最前沿的開(kāi)發(fā)技術(shù)，已成為信息時(shí)代的需要，更是未來(lái)教育發(fā)展的需要。
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