摘要：虛擬實(shí)境向用戶提供身臨其境（immerse）和多感覺通道（multi-sensory）體驗(yàn)，作為一種未來的人機(jī)交互形式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)比以前任何人機(jī)交互形式都有希望徹底實(shí)現(xiàn)和諧的、"以人為中心"的人機(jī)界面。本文探討虛擬實(shí)境人機(jī)界面的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，著重解決了未來界面設(shè)計(jì)的主要問題——界面模型建立 關(guān)鍵詞：VRML 虛擬實(shí)境 人機(jī)界面 交互 虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù) 1 序言 圖形用戶界面會(huì)被新的界面淘汰嗎?新一代的用戶界面將是什么樣?這些是很多人感興趣的問題。在你煩惱的時(shí)候，想吹海風(fēng)、聽海浪、看雪山、小橋流水、將你臥室的窗戶推開吧，而不論你在哪里！將會(huì)為你完成這一切，虛擬實(shí)境（cyberspace）是由計(jì)算機(jī)生成的、模擬人類感覺的世界的實(shí)時(shí)表示，有時(shí)也被稱之為虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality簡稱VR）。這里的“世界”是指具有真實(shí)感的立體圖形，它既可以是某種特定現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)再現(xiàn)，也可以是純粹構(gòu)想的世界。操作者可以通過視覺、聽覺、觸覺、力覺等與之交互，從而能產(chǎn)生“身臨其境”場景2虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面. 2 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的人機(jī)交互界面 2.1 基本概念 （Cyberspace）虛擬實(shí)境是一種新的人機(jī)界面形式，通過計(jì)算機(jī)和其它交互設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)虛擬環(huán)境（物理現(xiàn)實(shí)的仿真），使參與者有“身臨其境”的感覺，能用人類自然的技能和感知能力與模擬世界中的對象進(jìn)行交流。虛擬現(xiàn)實(shí)具有三個(gè)最突出的特征，即人們稱道的 “3I”特性：交互性（interactivity）、沉浸感（Illusion of Immersion）和構(gòu)想性（imagination） [1]。應(yīng)用前途非常廣闊，最早出現(xiàn)在電視，游戲及娛樂業(yè)，目前的應(yīng)用重點(diǎn)正轉(zhuǎn)向工業(yè)和商業(yè)方面。 2.2界面特征 新一代界面的主要特征可描述如下： （1）以用戶為中心 以用戶對界面的需求變化為出發(fā)點(diǎn)，使用戶界面的外在形式和內(nèi)部機(jī)制能符合不同用戶的需要，這就是以用戶為中心的設(shè)計(jì)思想。非特定人的連續(xù)語音識(shí)別技術(shù)將使計(jì)算機(jī)能理解人們的要求，是一種重要的輸入界面和手段。魚眼（Fisheye）技術(shù)使屏幕觀察（或光標(biāo)）位置附近的內(nèi)容被放大，便于用戶觀察。在傳統(tǒng)的人機(jī)系統(tǒng)中，人被認(rèn)為是操作者，人去適應(yīng)機(jī)器；在一般的人機(jī)系統(tǒng)中，人被稱為用戶，能與機(jī)器對話，但無主動(dòng)控制能力；而在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，人才是主動(dòng)的參與者，機(jī)器將對人的各種動(dòng)作做出反應(yīng)。 （2）多通道（Multimodality） 多通道界面旨在充分利用一個(gè)以上的感覺和運(yùn)動(dòng)通道的互補(bǔ)特性來捕捉用戶的意向，從而增進(jìn)人機(jī)交互中的自然性。人的感覺通道有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和平衡等；人的運(yùn)動(dòng)通道有手、嘴、眼、頭、足及身體等?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)操作時(shí)，人的眼和手十分累，效率也不高。若將聽、說和手、眼等協(xié)同動(dòng)作，采用多通道、以自然方式交互，可以實(shí)現(xiàn)高效人機(jī)通信，也可以由人或機(jī)器選擇最佳反應(yīng)通道，從而不會(huì)使某一通道負(fù)擔(dān)過重。 （3）非精確 精確交互技術(shù)是指能用一種技術(shù)來完全說明用戶交互目的的交互方式，鍵盤和鼠標(biāo)器均需用戶精確輸入。而人們的動(dòng)作或思想往往并不很精確，計(jì)算機(jī)應(yīng)該理解人的要求，甚至于糾正人的錯(cuò)誤，智能化的界面是一個(gè)重要方向。 （4）高帶寬 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輸出的內(nèi)容已經(jīng)可以快速、連續(xù)地顯示彩色圖像，其信息量非常大。而人們的輸入?yún)s還是使用鍵盤一個(gè)又一個(gè)地敲擊，因而，計(jì)算機(jī)的輸入帶寬是很低的。新一代的用戶界面應(yīng)該支持高的輸入帶寬，快速大批量地輸入信息。語音、圖像及姿勢等的輸入和理解是今后的發(fā)展方向。 （5）不限制地點(diǎn) 目前,計(jì)算機(jī)主要是在辦公室、實(shí)驗(yàn)室或家庭中使用，人們面對著計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn) 行操作，這種操作方式限制了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用。雖然已可用遙控器代替部分動(dòng)作，但用望遠(yuǎn)鏡看屏幕似不方便，而采用語音輸入輸出或其它計(jì)算機(jī)視覺（攝像輸入）技術(shù)，則可不受地點(diǎn)的限制。 3 虛擬實(shí)境模型的建立 一個(gè)未來的界面能使最終用戶能完全投入于自己要完成的工作，無需耗費(fèi)精力于界面操作，甚至進(jìn)入一個(gè)同現(xiàn)實(shí)完全一樣的虛擬世界，為此模型的建立至關(guān)重要。下面探討的模型結(jié)合用戶的特征，充分利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及人機(jī)界面的基本理論知識(shí)、多通道用戶界面的關(guān)鍵技術(shù)、VRML、軟件工程，知識(shí)工程的原型方法及其它相關(guān)知識(shí)來進(jìn)行。 理想中界面模型的建立可分為3個(gè)主要步驟:①角色模型的建立;②目標(biāo)模型的建立;③工作模型的建立。以下將分別論述。 3.1 角色模型的建立 角色模型包括用戶的重要特征.一般情況下，很難將每個(gè)用戶模型化，但通過引入“角色”，可將不同的用戶的重要特征集中于其一身。我們可用每個(gè)角色代表一類用戶。一般情況下，很難用一個(gè)角色代表所有的用戶。 為便于區(qū)別每個(gè)角色，應(yīng)給每個(gè)角色起個(gè)適當(dāng)?shù)拿?，然后加上適當(dāng)?shù)拿枋觥? 3.2 目標(biāo)模型的建立 目標(biāo)模型是要完成的任務(wù)的優(yōu)先級別列表，每個(gè)工作都有自己的目標(biāo)，工作目標(biāo)包括多個(gè)方面，每個(gè)方面的優(yōu)先級別各不一樣。設(shè)計(jì)用戶界面就是在不同的設(shè)計(jì)方案中進(jìn)行選擇，如知道用戶的最重要的任務(wù)，將會(huì)使這種選擇變得容易一些.為了確定每個(gè)角色的最重要任務(wù)，我們可將角色的每一種任務(wù)的優(yōu)先級數(shù)賦予一個(gè)權(quán)值，一般可選2一3種優(yōu)先級別最高的任務(wù)，用戶的界面應(yīng)能使用戶方便地完成這些任務(wù)。但是各種角色的任務(wù)優(yōu)先級別可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的沖突，這時(shí)，可將各個(gè)角色的使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)平臺(tái)的總時(shí)間及角色的重要性等作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，以決定哪個(gè)任務(wù)是最重要的任務(wù)。 3.3 工作模型的建立 工作模型是對用戶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關(guān)聯(lián)且沒有順序要求的由一個(gè)角色所需完成的任務(wù)的總和。在一個(gè)組織內(nèi)的每位員工總是負(fù)責(zé)一定的事務(wù)，職責(zé)在這里被描述為工作集.如售貨員的職責(zé)可描述為由售貨和結(jié)帳組成的工作集。售貨員工作集內(nèi)的任務(wù)屬于日常事務(wù)類型。 3.3.2信息對象和方法:每個(gè)角色的工作集都與信息密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)界面時(shí)，應(yīng)時(shí)刻牢記:使用戶能方便地使用所需信息.可把用戶對信息的需求及期望的功能定義為信息對象和方法。為了能確保用戶要求的信息不致漏掉，應(yīng)以用戶的工作術(shù)語來描述信息對象和方法而非用計(jì)算機(jī)術(shù)語。 為了定義信息對象，需要相對完整的數(shù)據(jù)模型，可將工作集內(nèi)的每個(gè)實(shí)例定義為若干個(gè)信息對象，信息對象間可有繼承和關(guān)聯(lián)關(guān)系。而對信息處理的功能要求可用任務(wù)集實(shí)例與信息對象相關(guān)聯(lián)的方法來描述。 3.3.3 對象的數(shù)目屬性和操作 在VRML中，類模型定義了每個(gè)類的所具有的屬性和方法（同面向?qū)ο笳Z言有相似之處），但有些與界面設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的屬性并沒有在數(shù)據(jù)模型中得以完整地描述，為了設(shè)計(jì)讓用戶滿意，應(yīng)給予詳細(xì)地描述。我們知道有時(shí)用戶需要同時(shí)對同一信息從不同的方面來觀察，為此，設(shè)計(jì)界面時(shí)，應(yīng)對完成某一任務(wù)所牽涉到的信息對象做到一清二楚。 對信息對象的操作特征的了解也很重要，如能知道用戶經(jīng)常使用哪些操作，便可對此類操作安排捷徑鍵，這樣便可節(jié)省用戶的操作時(shí)間，使界面更真實(shí)。 3.3.4 協(xié)調(diào)好相關(guān)人員 用戶、交互設(shè)備設(shè)計(jì)人員和軟件工程師在界面設(shè)計(jì)中所起的作用各不相同，交互設(shè)備設(shè)計(jì)人員是用戶和軟件工程師溝通的橋梁，應(yīng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)好3者的關(guān)系，只有這樣才能決定人機(jī)對話的類型，設(shè)計(jì)出真實(shí)的虛擬世界。 用戶精通自己的行業(yè)，交互設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)多與用戶接觸，最好能在用戶工作時(shí)了解任務(wù)特點(diǎn)，理解用戶的心理特征，這樣更有利于抓住重點(diǎn)，并用真實(shí)實(shí)用的方法體現(xiàn)于界面設(shè)計(jì)之中。軟件工程師是人機(jī)界面的最終實(shí)現(xiàn)者，大都有豐富的編程經(jīng)驗(yàn)，但往往缺乏與用戶的溝通，缺乏人機(jī)界面設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和生活常識(shí)。交互設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)與軟件工程師經(jīng)常交流，確保界面整體的真實(shí)性得以最終實(shí)現(xiàn)。 4 結(jié)論 本文介紹了虛擬實(shí)境屬于未來的人機(jī)界面。通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)及人機(jī)界面的基本理論知識(shí)、多通道用戶界面的關(guān)鍵技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML,軟件工程、知識(shí)工程的原型方法及其它相關(guān)知識(shí)，提出了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)人機(jī)界面模型的建立。這種模型建立方法的特點(diǎn)在于將整體架構(gòu)一分為三，模塊化后使其各司其職，大大提高了設(shè)計(jì)速度和實(shí)際應(yīng)用的效率. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是二十世紀(jì)末才興起的一門嶄新的綜合性信息技術(shù)。由于它生成的環(huán)境是類似現(xiàn)實(shí)的、逼真的，人機(jī)交互是和諧友好的，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將一改人機(jī)之間枯燥、生硬和被動(dòng)的現(xiàn)狀，將人們陶醉在流連忘返的工作環(huán)境之中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和交叉領(lǐng)域非常廣泛，幾乎到了無所不包、無孔不入的地步，虛擬現(xiàn)實(shí)在諸多方面的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的形成都有強(qiáng)烈的市場需求和強(qiáng)大的技術(shù)驅(qū)動(dòng)。它的發(fā)展，將從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ鞣绞胶蜕罘绞?