身體偏轉對虛擬現實頭控交互操作的影響

鄧成龍,趙銘,蒯曙光,,3

(1.華東師范大學 腦科學與教育創新研究院，上海 200062；2.華東師范大學 心理與認知科學學院，上海 200062；3.華東師范大學 上海市心理健康與危機干預重點實驗室，上海 200026)

1 引言

虛擬現實(VR)技術已經廣泛應用于心理學研究[1]、教育[2]、娛樂[3]和仿真訓練[4-5]等不同行業。在VR應用場景中，操作者需要與虛擬物體進行大量的交互，比如點擊、移動、旋轉和縮放等操作[6-7]。不同于鼠標、觸摸屏等二維平面上的交互，3D空間的交互面臨很多抖動的問題。一方面,三維空間交互沒有支撐，主要是懸空操作，導致交互的抖動增大；另一方面，虛擬物體的距離較遠，超過了手臂的范圍，因此VR空間主要采用射線技術與虛擬物體交互，遠距離操作進一步放大了基于射線技術交互的抖動[8-9]。這些情況對VR中的交互技術提出了新的挑戰，需要更穩定的交互方式。頭控交互一直是人機交互領域關注的重點，過往研究已經證明了頭控交互具有很高的穩定性。在完成指向小目標的任務中，頭控比其他的交互方式具有更高的操作效率和更低的錯誤率[10-11]?；谶@些特點，頭控交互已經成為了VR的重要交互方式，很多應用場景使用頭控完成操作。因此，詳細了解頭控的操作特性，對VR中的頭控交互設計有重要的意義。

過往研究探討了人類在身體直立狀態下頭控操作的時間特性。一些研究者發現使用頭控選中靜止目標的總操作時間(MT)與移動距離(A)和目標寬度(W)之間的關系滿足經典的費茨定律[10,12-14]：

MT=a+blog2(2A/W)=a+b=|ID

(1)

其中a和b是擬合常數，ID是任務難度。另外一些研究者進一步分析了頭控的操作過程，他們發現，頭控需要消耗相對較長的時間將光標從起點移動到目標區域附近，但是只花費很短的時間將光標放入目標區域內，證明了頭控具有良好的穩定性[11,15-16]。隨著VR技術的發展，越來越多的VR仿真應用開始模擬真實環境的操作，比如飛行等，操作者需要在身體處于偏轉狀態下完成瞄準、射擊等任務。當我們的身體發生偏轉時，重力對身體的影響也會發生改變，研究顯示身體偏轉會影響身體不同部位的肌肉力量[17]、對身體偏轉程度感知的準確性[18]、以及指向目標的準確性[19-20]等。少量研究還發現身體偏轉也會影響手控指向目標的操作時間[21]。比如，Scotto Di Cesare 等人(2014)在研究中比較了身體在無偏轉與向前偏轉(6°，12°，18°)狀態下用手指向消失的目標的表現，他們發現身體向前偏轉的操作反應時和完成時間大于無偏轉狀態[21]。然而，目前還沒有研究者探討過身體偏轉對頭控操作時間的影響，頭控在身體偏轉狀態下的操作時間特性還不清楚。

為了獲悉身體偏轉如何影響的頭控的操作時間特性，本研究通過一臺模擬器改變身體的偏轉角度和偏轉方向，讓被試在VR中完成一項常見的放置任務：把一個目標快速放入指定的目標中。我們設置的實驗場景與人的身體共同偏轉，光標和目標與人的相對位置不發生變化，頭只在自身坐標系的水平方向上轉動。為了系統了解身體偏轉對頭控操作時間特性的影響，我們參照過往研究的方法，將移動過程分成三個階段：加速階段、減速階段和調整階段[15-16]。加速階段和減速階段代表了光標從起點移動到目標附近的階段，與交互方式的速度有關。調整階段則是將緩慢調整光標位置對準目標，與交互方式的穩定性相關。本研究提出兩個假設，假設1：相比無偏轉狀態，身體在偏轉的情況下，頭的轉動速度變慢，導致加速階段和減速階段的操作時間增加，同時由于重力的影響引起頭控的抖動增加，繼而增加調整階段時間，因此身體偏轉將增大頭控的總操作時間；假設2：由于在不同身體偏轉方向下脖子克服重力的情況不同，因此不同偏轉方向對頭控操作時間的影響存在差異。

2 對象與方法

2.1 被試

一共招募了20名在校大學生參與此實驗，其中包括9名女性和11名男性，他們的平均年齡為22歲(SD=1.9歲)，平均身高為169.4 cm(SD=5.3 cm)。他們的視力或者矯正視力正常，所有被試均為右利手，無脖子轉動障礙。他們對實驗目的不知情，完成實驗之后將獲得一定的金錢報酬。

2.2 實驗儀器

本研究使用Oculus Rift虛擬現實頭盔(單眼分辨率：1 200×1 080；刷新率：90 Hz；最大視角：110°)，能夠實現頭部的6自由度(位置：X，Y，Z；旋轉：Yaw，Pitch，Roll)定位追蹤。在實驗過程中，我們關閉了Oculus Rift的位置追蹤功能，只保留旋轉追蹤功能，實驗參與者只能通過轉頭完成任務。此外，我們使用了一個模擬器座艙(長2.55 m × 寬2.45 m×高2.5 m)改變參與者的身體朝向和角度，模擬器能夠在X軸(Pitch)和Z軸(Roll)自由旋轉360°(圖1a)。實驗還使用一個安裝在旋轉座艙右側的搖桿，通過搖桿上的按鍵確認光標的選中和放下操作。實驗程序由Unity5.6.2和C# 編寫，并運行在Alienware Area-51(System：windows 8.1；CPU：Intel Core i7-5820K；RAM：32G；Video Card：NVIDA GeForce GTX TITAN X)電腦上。

2.3 實驗設計

本研究采用的實驗刺激如圖1b所示，虛擬場景中放置一塊2 000 m×2 000 m的灰色背景，一個黃色的小球(光標)和一個白色半透明的小球(目標)出現在背景的前方，距離被試正前方3m深度的位置，高度與參與者的眼高相同。光標直徑大小為2°和4°。由于在放置任務中，操作時間與目標容差(目標與光標大小的直徑差異)呈現規律性的關系，因此本實驗采用目標容差作為自變量，設置了三個水平：1.5°、3°、5°，對應的目標直徑在3.5°和9°之間(圖1c)。光標隨機出現在參與者視野的左側或右側，目標則對應的出現在視野的右側或左側，因此參與者需要從左向右或者從右向左轉頭將光標放入目標區域內，光標與目標的距離設置為25°和50°。參與者需要在不同的身體偏轉角度(0°、30°、45°、60°)和身體偏轉方向(左偏，右偏，前偏，后偏)情況下完成任務(圖1d)。為了確保光標和目標與參與者的相對位置和方向保持一致，光標和目標與參與者一起偏轉。綜上，本研究采用4(身體偏轉方向：左、右、前、后)× 4(身體偏轉角度：30°、45°、60°)× 3(目標容差：1.5°、3°、5°)× 2(移動距離：25°、50°)× 2(光標大?。?°、4°)× 2(頭的轉動方向：從左往右、從右往左)的被試內設計。此外，被試還需要在偏轉角度為0°的情況下(直立狀態)完成任務作為基線。

圖1 實驗設置示意圖

注：(a)實驗設備和操作示意圖。參與者坐在模擬器內戴上VR頭盔完成任務，右手握住固定在模擬器上的搖桿，用于光標的選中和放下確認，模擬器能夠在X軸(Pitch)和Z軸(Roll)上自由旋轉360°；(b)實驗刺激.。黃色小球為光標，白色半透明小球為目標區域；(c)放置任務中的實驗參數設置示意圖。目標容差定義為目標直徑與光標直徑的視角大小差異；移動距離定義為目標位置與光標的初始位置之間的直線距離對應的視角大??；光標大小定義為光標直徑對應的視角大??；(d)身體直立和四種身體偏轉方向示意圖。

參與者一共需要完成5個session，第1個session是練習，后面4個session是正式測試，每天完成1個session，總共需要5天，以避免長時間使用VR引起的疲勞和暈動等問題。每個session包含13個區組，由身體偏轉方向與偏轉角度的所有條件組合(12個區組)加上基線(1個區組)組成。每個區組包含所有的目標容差、移動距離、光標大小和頭的轉動方向的條件組合，總共是24個試次，所有條件組合順序隨機。此外，區組的呈現順序隨機，并且連續兩次區組的身體偏轉方向不同。

2.4 實驗過程

本研究得到了華東師范大學倫理委員會的批準。被試在測試前自愿簽署知情同意書，然后進入模擬器座艙，佩戴好安全帶，戴上VR頭盔，用右手握住搖桿。程序首先播放當前區組的偏轉方向和偏轉角度提示聲音，被試按一次搖桿上的按鍵，座艙偏轉到指定的位置，然后開始任務測試。在虛擬場景中，一個黃色光標小球和一個白色半透明的目標球分別隨機地出現在被試的左(右)側和右(左)側(圖1b)。在被試的正前方有一個紅色的小點代表頭的朝向。被試轉頭指向黃色光標，然后按下搖桿上的按鍵選中光標，此時光標顏色變為紅色。接著被試通過轉頭將光標又快又準地完全放入到目標球內，并再按一次搖桿上的按鍵放下光標，完成當前試次。如果小球沒有完全放入目標球體中，系統給出錯誤提示音。當一個區組結束之后，模擬器座艙回到水平位置，參與者休息至少40 s，然后座艙轉動到下一個區組的指定位置，繼續完成任務。在正式測試前被試需要完成20次偏轉角度為0°的練習試次，熟悉任務的操作過程。實驗程序記錄了任務的完成時間和光標的移動軌跡，采樣率為90 Hz。被試一共需要完成5個session，每天完成一個session，每個session需要花費大約1 h。最后一個session結束之后，被試需要完成一份7點李克特操作難度問卷，對不同身體偏轉方向和偏轉角度的操作難度評分，1分表示操作非常容易，7分表示操作非常困難。

2.5 數據分析

由于一名被試的總操作時間(1 835 ms±649 ms)遠大于其他被試的操作時間(1 084 ms±126 ms)，因此被剔除，剩余19名被試的數據進入分析。

我們對光標的移動過程進行分析，并參照過往研究的劃分方法將光標的速度軌跡劃分成加速階段、減速階段和調整階段(圖2)[15-16]。加速階段為光標從開始到速度達到最大值。減速階段與調整階段的分界點為光標速度<最大速度的一半，并且滿足如下三個標準之一：(1)光標的速度方向由正變為負；(2)光標的加速度方向由負變為正；(3)光標的加速度為負，但是其絕對值<加速度最大值的0.1倍，并且持續一段時間。

圖2 光標在X軸方向(自身坐標系)的速度軌跡樣例和三階段劃分標準示意圖。三階段劃分標準參考Deng等人(2019,2022)的研究方法。在每次任務開始前，光標位置指向目標位置的方向為速度的正方向。

身體在直立的情況下，完成任務的正確率非常高，達到了98.14%，當身體偏轉到60°時，完成任務的平均正確率仍然高達96.97%，說明了頭控的穩定性，因此我們只分析正確試次的時間數據。我們根據公式，把移動距離和目標容差兩個自變量結合，換算成任務難度指標ID，總共包含6個任務難度值(表1)。我們對操作時間進行重復測量方差分析，并對不滿足球形假設檢驗的結果進行Greenhouse-Geisser校正。

表1 任務難度以及對應的移動距離(A)和目標容差(TT)組合

3 結果

3.1 總操作時間

圖3 操作總時間

注：圖中ID表示任務的難度，由不同的移動距離(A)和目標容差(TT)組合獲得，ID1 - ID6任務難度逐漸增大。實線表示A=50°(ID3，ID4，ID6)，虛線表示A=25°(ID1，ID2，ID5)。菱形圖標表示TT=1.5°(ID5和ID6)，三角形圖標表示TT=3°(ID2和ID4)，圓形圖標表示TT=5°(ID1和ID3)。

3.2 三階段操作時間

圖4 三階段操作時間

注：圖中ID表示任務的難度，由不同的移動距離(A)和目標容差(TT)組合獲得，ID1 - ID6任務難度逐漸增大。實線表示A=50°(ID3，ID4，ID6)，虛線表示A=25°(ID1，ID2，ID5)。菱形圖標表示TT=1.5°(ID5和ID6)，三角形圖標表示TT=3°(ID2和ID4)，圓形圖標表示TT=5°(ID1和ID3)。

3.3 難度問卷結果

圖5 操作難度問卷得分

3.4 模型擬合

頭控的操作時間受到移動距離(A)、目標容差(TT)和身體偏轉角度(RD)的影響，我們建立操作時間與三個影響因素的函數關系，量化頭控的操作時間。由于初始距離和目標容差對頭控操作時間的影響與以往研究一致，因此我們仍然在費茨定律(公式1)的基礎上增加身體偏轉角度。本研究的結果顯示，操作時間與身體偏轉方向呈線性關系，并且身體偏轉方向與任務難度沒有強交互作用，因此身體偏轉角度在新模型中作為獨立參數。此外，在本研究中，由于光標大小的影響很小，頭的轉動方向沒有顯著差異，因此新的模型不考慮這兩個因素。綜上，我們提出的新模型如下：

MT=a+b[RD+clog2(2A/TT)]=a+b|IDnew

MT表示操作時間，A表示移動距離，TT表示目標容差，RD表示身體偏轉角度，a、b和c是模型擬合常數。分別擬合四個偏轉方向的數據(見圖6)，結果顯示，模型能夠很好地解釋所有偏轉方向的數據變化(左偏：R2=0.9541；右偏：R2=0.9449；前偏：R2=0.9650；后偏：R2=0.9510)(圖6)，模型擬合結果的詳細參數見表2。這些結果證明了我們提出的模型的合理性。

表2 四個身體偏轉方向的公式2擬合結果參數

圖6 公式2對四個身體偏轉方向數據的擬合結果

注：(a)身體向左偏轉，ID=RD+189.89log2(2A/TT)；(b)身體向右偏轉，ID=RD+184.8log2(2A/TT) ；(c)身體向前偏轉，ID=RD+1059.51log2(2A/TT)；(d)身體向后偏轉，ID=RD+127.28log2(2A/TT).

4 討論

本研究在VR環境中通過使用頭控完成放置任務，系統探索了身體偏轉對頭控操作時間的影響，我們發現身體偏轉會降低頭控的整體操作效率，但是我們的研究結果部分支持了實驗假設1。我們猜測身體偏轉會同時增加加速階段、減速階段和調整階段的操作時間。本研究的結果顯示，身體偏轉增加了調整階段的時間，但是并沒有增加加速和減速階段的時間。相反，加速階段的時間基本不受身體偏轉角度的影響，并且增加偏轉角度反而減少了減速階段的時間。這些結果表明，被試在身體偏轉狀態下提高了轉頭速度，使得光標更快地從起點移動到目標附近。然而，身體偏轉對減速階段帶來的時間優勢小于對調整階段造成的時間損耗，導致總的操作時間增加。

本研究還發現不同的身體偏轉方向對頭控操作時間的影響不同，向后偏轉的操作時間最長，向左和向右偏轉的操作時間次之，向前偏轉的操作時間最短，這些結果說明重力對不同身體姿勢狀態下脖子的轉動造成了不同的影響，與實驗假設2一致。此外，我們還發現當偏轉角度從0°增加到45°時，向前偏轉的操作時間與身體直立狀態下的操作時間非常接近，向前偏轉的平均操作時間只增加了9 ms，然而，當身體偏轉角度進一步增加到60°時，操作難度開始快速增加，操作時間相比直立狀態增加了47 ms，該結果說明在一定的偏轉角度內，向前偏轉不會增加頭控的操作難度。該結果也支持了其他的研究發現。雖然Scotto Di Cesare 等人(2014年)發現身體向前偏轉18°時手控指向目標的操作時間顯著大于無偏轉狀態下的時間，但是他們的結果顯示身體偏轉與無偏轉的平均完成時間差異在10 ms左右[21]，身體向前偏轉對手控操作的影響也很小。

本研究結果對VR中的頭控交互設計有重要的幫助作用。首先，我們的結果為身體偏轉角度范圍的選取提供了參考依據。我們結果顯示，身體偏轉30°對頭控操作時間的影響很小，但是增加到60°，操作難度快速增加，因此進一步增大偏轉角度，可能影響用戶體驗。其次，本研究的發現也為身體偏轉方向的選取提供了參考。本研究結果提示相關的VR應用應優先考慮用戶在向前偏轉情況下完成任務，而盡可能避免在身體向后偏轉時完成任務。最后，我們改進了費茨定律模型，融入了身體偏轉角度因素，使得新模型的應用范圍更廣，幫助交互設計人員預測用戶的表現，量化任務難度，節約設計時間。

本研究也存在一定的不足。首先，頭控操作容易引起脖子疲勞[10,22]，本研究沒有比較身體處于偏轉狀態下與無偏轉的疲勞程度差異。其次，我們只采用了選中靜止目標任務，在VR中還存在很多其他任務，比如選中運動目標、移動、旋轉等操作[6-7]，身體偏轉角度和偏轉方向對頭控操作時間影響的差異是否一致，還需要進一步驗證。

5 小結

本研究系統探討了在VR環境中身體偏轉對頭控完成放置任務操作時間的影響。我們的結果證明了身體偏轉加大了頭控的操作難度，并且不同偏轉方向的操作難度不同，向前偏轉的難度最低，向后偏轉的難度最高，向左和向右偏的難度轉介于兩者之間。我們提出了包含身體偏轉角度的模型，該模型成功地解釋了頭控在四個偏轉方向的操作時間特性。本研究結果為VR中的頭控交互設計提供了重要的幫助。

致謝

感謝孫晨、田宸宇和邱運達對本研究數據采集和分析提供的幫助。