虛擬現實空間中的三維界面設計研究

谷悅 譚佳佳 項李

摘要：針對目前虛擬現實產品缺乏設計規范與相關理論而導致產品操作繁雜、學習成本高、體驗感差的現狀，構建虛擬現實空間內的界面設計范式。通過分析總結傳統界面與三維界面的主要設計差異：1.設計工具的變革；2.設計流程環節的增加；3.驗證方式的變革。通過合理的場景布局與交互指令引導用戶操作，優化用戶體驗。得出三維界面構建策略1.通過合理的交互密度與操作范圍；有序的界面設計層次構建；多通道多緯度展示空間信息構建人機和諧的自然交互關系；2.通過心智模型驅動界面體驗優化。該方法可指導和檢驗虛擬現實空間中的界面設計。

關鍵詞：VR 三維界面 用戶體驗 人機交互 設計研究

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2022）11-0134-04

Abstract：Aiming at the current rapid rise of virtual reality products，covering a wide range of fields，but lacking design specifications and related theories，which leads to complicated product operations，high learning costs，and poor experience，to build an interface design paradigm in the virtual reality space. Through analyzing and summarizing the main design differences between traditional interface and three-dimensional interface：1. The change of design tools； 2. The increase of design process links； 3. The change of verification methods. The 3D interface design requires the use of Cinema 4d，3d Max，Maya and other modeling software to build the scene，and guide the user through reasonable scene layout and interactive instructions to optimize the user experience. Drew a three-dimensional interface construction strategy. 1. Build a harmonious natural interaction relationship between man and machine； 2. Drive interface experience optimization through mental models. This method can guide and test the interface design in virtual reality space.

Keywords：VR Three-dimensional interface User experience Humancomputer interaction Design research

引言

虛擬現實技術將技術、藝術與計算機硬件相結合創造出真實的沉浸式三維環境，是數字時代順應而生的產物，具有高技術型、高沉浸性與高學科交叉性特征。界面，是指用戶與計算機間信息交流的媒介，2007年蘋果推出了第一款iPhone，界面設計與用戶體驗才真正得到企業與社會的關注，人們開始意識到好的界面設計與交互方式可以使產品脫穎而出。用戶體驗（User Experience，UE /UX）是美國設計師唐納德·諾曼（Donald Norman）于20世紀90年代提出的，關注設計對象主觀感受的設計理念。在信息泛濫與技術驅動的社會中，設計師的指責并不僅是使頁面美觀，如何通過設計給予用戶有效的信息展示幫助其快速抓取有效信息，同時具有良好的視覺和操作體驗是設計師需要更多關注的部分。

而虛擬現實空間中的界面相較傳統二維界面增加了空間與方向向量，用戶在體驗VR產品時還需佩戴頭顯設備，配合控制手柄進行操作，因此傳統的二維界面設計范式已不再適用，合理的交互方式與設計展示尤為重要。

目前虛擬現實產品發展迅速，涉及領域較廣泛，但卻缺乏設計規范與相關理論導致用戶操作繁雜、學習成本較高、體驗感差。在調研過程中，一些虛擬現實產品的界面甚至直接將傳統的二維界面直接置于虛擬空間內，用戶在佩戴頭盔后仍需閱讀大量文字，違背了人機和諧的交互設計原則，甚至加重了VR眩暈。因此，構建虛擬現實空間內的界面設計范式尤為重要。

一、三維界面相關概念

（一）虛擬現實基本概況

虛擬現實（virtual reality）的誕生可追溯到20世紀60年代前，最初其以模糊幻想的形式出現于眾多文學作品和藝術創作中。早期的藝術創作探索展現的虛擬現實嘗試在19世紀的全景壁畫，法國軍人、畫家jean charles langlois所畫的《博羅金諾戰役》如圖1該類全景式畫作的創作可以幫助觀眾填補整個場景視野，使其有身處于當時的歷史事件中的直觀感受。文學作品中對虛擬現實的幻想早在1932年著名英國作家Aldous Leonard Huxley推出的長篇小說《美麗新世界》，小說刻畫了在科技高度發達的未來世界里，人的需求可以即刻滿足，但事實上這種滿足只是幻覺，描繪了機械文明在人們未來社會生活中的運用場景。1935年，美國科幻小說家Stanley G.Weinbaum發表了小說《皮格馬利翁的眼鏡》。小說描述了戴鏡者通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺體驗虛構的世界，提及并預言了今日的VR設備，是目前公認的對“沉浸式體驗”的最初描寫，為之后虛擬現實的設計構建了概念原型。1968年，Ivan sutherland與學生Bob Sproull共同設計展示了被廣泛認為是第一個HMD系統 ，即所謂“達摩克利之劍”，首次顯示了計算機程序系統以三維立體形式展示。

如今，在信息時代與數字革命的驅動下，虛擬現實被越來越多的人認識并關注。人們通過佩戴VR眼鏡自由的穿梭在真實與虛擬世界中，虛擬現實將技術與計算機硬件相結合創造出真實的沉浸式三維環境，并通過移動設備與運動傳感器來進行實時追蹤，進一步與之交互。虛擬現實將目前涉及眾多領域，如游戲、影院、電子商務、旅游、實驗、藝術、心理學治療、社交等。例如，2017年谷歌推出了基于HTC Vive頭盔的VR繪畫應用Tilt brush如圖2，使用者戴上VR頭盔即可將傳統的平面繪畫區域拓展到3D空間，給予了藝術家更大的創作空間，也使得藝術創作更加自由、高效。

（二）三維界面概念

我們所在的是一個三維世界，在維度理論中對三維空間的解釋是由無數二維平面所構成的實體空間，在二維系中增加了方向向量。因此，三維界面相較傳統的二維界面中也增加了空間營造與方向控制相關設計，是HCI（人機交互）研究中的重要的研究領域之一。如同二維界面有菜單、圖標、列表、導航欄等組件構成一樣，三維界面同樣是由技術指令與組件構成，但不同的是，三維界面中多了更多輸入設備與外接傳感器，支持用戶在一定程度上通過雙手甚至“全身”動作進行交互。在三維空間里，人們對于沉浸式體驗有了更高的要求，因此，在設計與研究過程中，在視覺傳達與感知體驗方面要做到信息布局呈現簡明、清晰，操作引導及時、準確，避免用戶在三維空間中感到不知所措。

三維界面通常需要有豐富的空間場景，在場景的設計中，考驗設計師的不僅是傳統界面設計中的圖形語義表達、色彩搭配與樣式規范等，還有更多的空間布局類設計。例如，一些反饋規則和提示信息需要告知用戶在輸入前、中、后的不同狀態，則意味著需要在界面設計中留有這類信息所需的位置和深度，以此來幫助用戶理解整體關系。同時，此類信息的表現也需要結合場景內的燈光、多層級的透明度疊加、適度的模糊等。

（三）從二維界面到三維界面的設計轉變

如今，由于虛擬現實設備還未普及，當代設計多數產品仍以二維界面形式展示，對于二維界面的UI、UX理論已十分成熟。從本質上來講，適用于二維界面的核心理論知識與方法論如：以用戶為中心的體驗至上原則、情感化界面設計、一致性原則等同樣適用于三維界面設計。但不同的是，從二維界面到三維界面的轉變更大程度上需要設計師掌握跨學科知識，了解更多的技術原理與實現方式，并且在設計實踐工程中其運用的工具、流程，以及產出結果后的驗證方式也與二維界面有了一定的變革：

1.設計工具的變革

在傳統的UI設計領域中，設計師大多通過sketch輸出設計規范稿與切圖交付開發，涉及到微動效部分需在After Effects或其他動效設計軟件中進行。在三維界面設計中由于載體不再局限于傳統的移動端、pc端等，用戶在佩戴VR頭盔后所看到的將是360度環繞式場景，因此設計所需要的工具也更加多元，最主要增加的環節即是三維場景的構建與unity 3D開發引擎的介入，三維場景可以通過Cinema 4d、3d Max、Maya進行制作，將設計好的三維模型場景導入到unity 3中進行交互開發和整體渲染。

2.設計流程環節的增加

三維界面在前期調研階段與二維界面設計并無較大差異，但由于虛擬現實設計需考慮設備因素，因此在用戶選擇和使用場景需做充分的考察與實地調研。在交互與視覺設計中，由于載體變化界面設計師需要有更加全面和宏觀的考慮，下一章設計策略中會詳細闡釋。相較傳統設計，流程中增加了角色、場景建模；引擎渲染；音效、動效設計等內容，目的是將VR的沉浸式體驗做到極致，以達到身臨其境的效果。

3.驗證方式的變革

驗證階段是對產品的分析、評價和測試。傳統界面與三維界面設計和驗證應均是迭代式進行，設計后驗證，驗證后修改設計如此循環才能不斷優化產品達到良好的用戶反饋。而三維界面不同于傳統界面的是物理環境的改變，增加了許多非傳統的輸入、輸出設備，且每位參與用戶因性別、身高、習慣等的不同也使界面的驗證變得更為困難，例如：身高160cm的女性與身高180cm的男性佩戴VR設備時所看到的視角不同，坐姿體驗與站姿體驗的視角及肢體產生的本能交互反應也是不同。因此，在設計初期需要針對設計產品需要提供的服務以及服務對象樣本進行調研，從中選擇最具代表性的人群特征，在設計驗證中同樣需要充足的用戶樣本，以大量的實驗數據分別對輸入設備、界面元素、交互技術進行量化。

二、三維界面設計策略

（一）設計表達維度擴容——構建人機和諧的自然交互關系

三維界面設計是對傳統設計范式在內涵與邊界的擴容，美國MIT Media Lab將科學、媒體、藝術、設計相結合，致力于研發最新的計算機前沿技術，形成新型的交叉學科，做具有前瞻性和創造力的研究，虛擬現實技術的研究與應用是MIT Media Lab的重點項目。數字化蓬勃發展的今天，在虛擬現實空間中進行設計創造，為設計師創造了更為豐富與全面的設計載體，設計價值也越來越被社會各界重視，如今，設計作為綜合性交叉學科應擺脫在傳統設計領域的被動位置，統籌各方資源，推動設計創新。

虛擬現實空間中的設計核心是構建人機和諧的自然交互關系，合理的自然交互是指人在本能狀態下而發生的交互指令，如看到物體自然的躲避，表示認同時點頭，運動時的自然擺臂等。在設計特定的功能時，應充分考慮到人類在空間的認知、感知和行為，以及所需運用到的傳感器技術，保證設計結果符合體驗預期且不因繁瑣的穿戴設備對用戶造成備負擔。

虛擬現實中的人機交互模式在實現技術難度方面遠超傳統模式，如圖3所示若想實現虛擬現實環境下人機和諧的交互方式需要保證高質量的硬件開發平臺即高性能的圖像生成和處理系統，與合理的軟件開發應用例如：結合動態捕捉技術、語音識別與輸入技術、觸覺反饋技術等。因此，在設計過程中應綜合考慮軟、硬件環境，遵守如下的設計原則：

1.合理的交互密度與操作范圍

交互密度是指在既定場景下用戶預計的交互次數。傳統的界面設計中，由于功能內容的多樣性，用戶在某種程度上需要頻繁地下達指令操作（如在手機上進行上下滑動、點擊、長按等）達到目的或獲取更多信息，因此，整體操作是相對密集的。而對于三維界面設計，用戶需要佩戴VR頭顯設備，較多的肢體或運動交互則會加大用戶產生模擬器眩暈癥概率，而較少的交互則會讓用戶長時間處于被動狀態，感到無聊。因此，在設計交互密度時，需要針對具體的產品場景、任務流程、體驗過程中可能出現的突發狀況進行差異化設計。

合理的操作范圍主要涉及：a.視場角（FOV）的設定，指用戶在體驗VR產品時雙眼在垂直方向上與立體感知中的舒適范圍。通常情況下，視場角越大，用戶的沉浸感知越強，提倡開闊的場景氛圍，鼓勵用戶在其中進行探索，但視場角但視網膜邊緣不利于獲取重要信息，僅適合于提供視覺線索與營造場景氛圍。b.頸部轉動范圍。人類頸部是脊椎中運動最靈活的區域，美國骨科醫師學會的《關于運動的臨床測量（Green and Heckman 1994）中總結了正常頸部活動范圍如圖4所示，隨著年齡增長與年輕人長期伏案工作極易出現頸部活動受限的情況，因而根據VR產品主要針對的目標用戶而進行實驗測試，得出最為舒適的運動角度，唯有確定適當的交互密度與合理的操作范圍才能使整個產品體驗更加友好、舒適。

2.有序的界面層次構建

三維空間中的設計層次是體驗者在佩戴VR設備后所看到的物體景象之間的位置與景深關系。有序的層次構建可以給予用戶更好的操作指引與沉浸體驗。在設計場景時，可以將其想象成以用戶為中心的球體設計，在空間構建中可將主體分為前、中、后景三大類。如圖5所示前景內容是物體距離人眼最近的部分，適合放置UI界面，作為引導用戶操作，提供明確的參考對象、任務進度與交互反饋。中景主要是場景搭建，通常需要在unity中建模渲染，場景的渲染在中景設計中至關重要，需考慮模型與用戶視角的比例關系及場景渲染品質，場景渲染品質高可以減少用戶在體驗過程中的眩暈感以提升用戶體驗。同時，場景中也可包含部分非主要的引導信息，通過色彩與動效給予用戶提示。后景則是氛圍烘托營造，可以如遠山、天空，為避免體驗卡頓，氛圍空間的營造可以配合使用360度全景相機完成。

3.利用多通道多緯度展示空間信息

在虛擬空間里，原本有限的屏幕轉化為空間立體，且球形延伸也給予用戶豐富的想象空間，三維界面構建出的豐富場景空間也提供了多通道多維度的信息展示方式如聲音、運動、光線、動效可以增加視覺傳達表現力，也可以使信息傳遞更加直觀、高效。特別是VR中的立體音效，聽覺體驗是影響用戶體驗的重要因素之一，用戶可以通過聲音來判斷位置和距離，VR中的立體音效結合頭部追蹤技術，可以在轉動頭部來感受不同方位的生意變化。綜合多維度的空間信息設計，用戶可以在輕松、有趣的環境中擁有積極的情緒，獲得沉浸式的游戲體驗，也會更自然主動地與虛擬空間產生互動。因此，在設計過程中應時刻考慮到虛擬現實為用戶打造的是全感知體驗空間，應綜合運用多種呈現表達方式，而不是運用單一的視覺語言。

（二）心智模型驅動界面體驗優化

心智模型最早于1943 年由心理學家 Kenneth Craik提出。心智，在心理學中是指人們對已知事物的儲存和沉淀，“心智模型” 是隱藏在行為背后的形式和規律它影響著人們的觀察、思考和行動。但心智模型也并非一塵不變，在產品設計周期中，心智模型隨著科技的創新、人們生活方式等外界因素而變化，人們在生活中的定式思維與行為習慣也隨之發生相應的改變。同時，用戶的好奇心與獵奇心態也會促使其打破舊事物，從新鮮事物中尋找刺激。例如，曾經我們習慣性地在年末時購買新年日歷，對重要日期與事件進行標記，但隨著技術創新我們可以直接與智能設備語音交互，使其為我們提供記錄提醒服務，諸如此類的優化不僅提升了工作效率也使普通用戶感受到了擁有私人助理的情感愉悅。這是心智模型的自然迭代，是自省、學習、創新和變革的過程。

在經濟、技術快速發展的今天，需要設計師通過洞察用戶心理，實驗探索出可以被接受的新的交互方式。如何將二維界面中用戶習慣的操作手勢，合理地轉化為三維界面中的動態手勢，并延續為行業規范是虛擬現實界面研究目前需要解決的重要問題之一。目前，在移動應用中我們已經習慣了部分操作，例如：長按圖片以保存；上滑App界面可以返回到手機主頻幕，但其依舊保存在后臺程中等。但VR世界的規則還沒有被定義，在虛擬現實空間中的交互行為是對用戶心智模型的深度理解和總結，許多目標用戶是VR新手，沒有熟悉的產品和使用方法作為支撐，而在佩戴VR頭顯設備后會進入一個全新的場景，出于個人本能的生理反應，用戶會在情景中感到一定的迷茫甚至手足無措，因此，心智模型的構建則是尤為重要的，要求設計師與研發人員不能從自身角度去模擬用戶行為，而是通過真實的用戶行為數據指導設計。心智模型驅動下的界面體驗優化，首先需要根據產品定位確定目標用戶，通過提取用戶需求與分析用戶的習慣構建心智模型，設計師需要運用所構建的心智模型，預知用戶行為指導設計；其次，通過選擇相應的設計方法，例如：在三維界面設計中需要運用到定量研究與定性研究、交叉學科研究發等完成概念模型設計；最后，通過對設計模型進行可用性測試，計算實驗數據得出用戶對于體驗的滿意度，進一步優化和迭代設計。針對與VR產品，在每個關鍵步驟完成后均應開展可用性測試，解決和改善開發過程中的問題。如何將二維界面中用戶習慣的操作手勢，合理地轉化為三維界面中的動態手勢，并延續為行業規范是虛擬現實界面研究目前需要解決的重要問題之一。虛擬現實技術市場前景廣闊，又有諸多運用領域，如：游戲、教育、購物，家裝、房產開發、工業仿真、文物古跡等。但由于沒有通用設計規范及用戶心智模型指導，設計呈現效果參差不齊，學習成本過高。

Chris milk是VR設計的先驅，他在演講中指出：虛擬現實技術是終極“情感機器”VR技術所創造出的沉浸感能夠從本質上改變受眾對傳播內容的情感接受度。根據谷歌發布的訪談結果來看，人們被VR吸引，大多是因為他們體驗了前所未有的情感和經歷。因此，在心智模型驅動下界面體驗優化目標不應僅僅是達到和符合用戶的預期目標和滿意程度，只有超出才能留住用戶。

總結

人是萬物的尺度，自古以來中西方在文化表達中都強調了以人為中心的評判標準，信息社會更加強調人性化的設計。VR空間更加注重用戶沉浸式體驗，因此用戶體驗的衡量與評價維度相較傳統界面設計也發生了變遷。經過長期的學習與用戶行為的培養，大眾早已習慣于在二維界面進行操作，二維界面設計受范圍和尺寸影響，設計師會重點關注頁面信息在二維平面中的信息展示排布，而對于虛擬現實空間中的三維界面則是針對全景空間的信息設計，需要更加綜合的設計考量，規劃合理的信息布局與操作指令，搭建良好的用戶體驗空間。

文章針對現階段虛擬現實產品日益增長，但缺乏理論設計理論指導而導致的體驗不佳、用戶流失嚴重現象，提出了虛擬現實空間內的界面設計范式，具體分析了從二維界面到三維界面的設計轉變，主要有1.設計工具的變革；2.設計流程環節的增加；3.驗證方式的變革。并提出了針對虛擬空間中的三維界面設計策略：1.通過設計合理的交互密度與操作范圍，利用空間中的景深關系形成有序的界面層次來構建人機和諧的自然交互關系；2.通過心智模型驅動界面體驗優化。通過該流程與方法可指導和檢驗虛擬現實空間中的界面設計。

每次技術革命都并非一帆風順，用戶習以為常的認知習慣是不易被輕易改變和打破的，虛擬現實產品的交互行為培養也需要經歷漫長的過程。作為新興的數字信息時代產物，虛擬現實結合最新科技給用戶帶來了前所未有的沉浸視聽體驗，也給后疫情時代的生活、工作、教育、娛樂帶來更多的可能。

基金項目：中國風格文化創意及智能產品設計技術集成與應用示范（2019YFB1405700）。

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