来源：第三维度
    作者：林一 陈靖 刘越 王涌天
    单位：北京理工大学光电学院

    摘要：在当前的人机交互领域,移动平台上增强现实技术的应用越来越广泛。然而由于对认知心理学在增强现实领域重要作用的忽视和互动信息展示形式的匮乏,导致此类软件的用户体验欠佳。该文提出了一套基于心智模型的虚拟现实与增强现实混合式移动导览系统。在遵循以用户为中心的设计原则下,结合微观和宏观心智模型理论分析用户的需求,通过反复的可用性测试对交互界面进行迭代设计,使得系统界面的交互体验不断趋近用户的心理预期。此外,通过虚拟现实和增强现实两个空间的自由切换,用户可以获得两种截然不同的互动体验。

    这种新颖的交互模式丰富了互动内容的展现方式。实验结果表明,基于该交互模式的移动导览系统调动了用户主动进行交互的积极性,提高了人机交互的易用性和时效性。

    1 引言

    随着移动智能终端的快速发展,移动平台上的人机交互程序的用户体验设计(User Centered Design,UED)越来越多的得到人们的关注。近几年,许多基于位置服务的应用软件能够提供主动定位并推送用户附近热点(PointofInterest,POI)的增强现实(Augmented Reality,AR)信息服务,例如比较著名的LAYAR､JUNAIO和WIKITUDE。2011年9月,Nokia CityLens应用的官方发布标志着增强现实人机交互技术普及的时代已经来临。图1所示为以上所列举的4款软件的主要界面。

    图1 常见的AR交互商业软件界面

    对于显示面积小于15cm×10cm的移动设备,交互方式受人机工效限制导致了很多可用性问题[1]问题,利用人的认知方式可以避免在互动中出现繁复､混淆､逻辑冲突等问题。心智模型能够对可用性问题作最好的解释与说明[1]。设计简单､高效､人性化的AR交互界面成为用户体验设计的研究热点。

    早期的数据浏览型AR交互界面对交互的限制较大,如Pettersen等人[2]研究的应用于路径规划的AR系统。随着技术的发展,面向自然交互方式的多通道用户界面开始陆续涌现并走向成熟,如基于手势交互的AR界面[3]和实物用户界面(Tangible User Interface,TUI)[4]。TUI试图脱离图像用户界面(Graphics User Interface,GUI)的局限,直接将真实世界中人与物体､环境的交互行为映射为与信息空间的交互过程的用户界面,使物理环境直接成为界面,达成物理世界和数字世界的融合。这同以物理环境为交互环境的AR技术有着密切的联系。如Washington大学HIT实验室开发的基于AR的实物用户界面,Kato和Billinghurst等人[5 6]也把它定义为实物AR界面。心智模型在交互设计领域运用的探讨所涉及的范围比较广泛,Park等人[7]提出创建模块化用户界面(UserInterface,UI)的概念模型,面向不同用户组的个性化需求来定制用户体验以实现交互的多样性。Leichtenstern和Andre[8]提出依照定制的接口规范和规则集来设计交互界面使其快速适应环境的变换并始终趋近于用户的心智模型。

    国内对于AR的研究起步较晚,主要的研究成果大多围绕在AR显示技术[9]､摄像机校准算法[10]､跟踪注册算法[11]等具体技术上,如北京理工大学的圆明园数字重建系统[12]和国防科技大学的虚拟实景空间系统[13]。对于心智模型在交互体验设计方面的研究,浙江大学对手机交互界面的心智模型与操作绩效的空间一致性开展了有意义的探索[14]。已有的研究虽然对文化的多样性和空间一致性进行了探讨,但却缺乏在操作方式层面上进行的分析。此外,多数研究仅侧重于将常见的GUI界面作为运用心智模型开展设计的对象,而非面向具有特殊性的AR互动界面。因此,针对这些不足,本文开展了研究工作。

    当识别､跟踪和定位已经不再成为技术瓶颈时,增强现实类应用却始终得不到普及,大众认可度依旧不高。通过反复的调查与分析,研究结果表明问题在于两方面。一方面,人机互动的方式过于简单导致信息展示的形式匮乏。另一方面,由于在用户体验设计上忽视了认知心理学在AR交互领域的重要作用,直接导致了传统的AR服务软件的交互界面不够友好,降低了互动体验的愉悦感。本文基于心智模型的理论提出了虚拟现实与增强现实(Virtual Reality and Augmented Reality,VR AR)混合导览系统。该系统以用户为中心进行交互设计,用户可以在增强现实和虚拟现实两种不同环境中自由切换,体验新颖的交互操作模式。这在空间层面上拓宽了人机互动的方式。宏观心智模型和微观心智模型的结合运用不但为AR与VR环境间的自然切换提供了平滑的用户体验,同时也调动了用户使用该软件进行交互的积极性。通过反复的评估和可用性测试使得该系统的人机交互界面在迭代中不断完善。目前将基于心智模型的用户体验设计运用在AR交互的研究不多,这也是本文开展研究工作的原因和目的之一。

    2 系统构成

    本文提出的虚拟现实与增强现实混合式移动导览系统(VR AR Hybrid Mobile Browsing System,MobVR AR)对目前业内常用的定位､识别后再跟踪的技术方案进行了如下改进[15 16],首先使用GPS和传感器对指定范围内的所有POI进行粗略定位,当用户选中目标后自动生成导航路径。用户到达POI所在地后,进行观察点周围的复杂场景的识别以及像素级的精确跟踪。以下的系统框架主要针对场景识别和精确跟踪注册进行论述。

    2.1 系统框架介绍

    鉴于当前智能手机客观存在软硬件限制的现状,高速的实时图像识别计算任务适于在运算性能更为强大的个人计算机(Personal Computer,PC)端而非移动计算终端完成。因此本文提出的MobVR AR采用了分布式体系结构,其中客户端与服务器端分别承担各自的计算处理任务。云端的增强现实服务器负载场景的离线学习以及在线识别,客户端则计算户外场景中热点目标的跟踪并生成增强信息内容。通过两端的数据处理和交换,MobVR AR能够在手机平台上为用户提供跨越虚拟现实空间与增强现实环境的独特人机交互体验。

图２系统整体框架

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