头戴设备的轻量化设计研究

李思惟 刘桂华

摘要：本文主要研究现实交互类产品头戴设备的轻量化设计趋势，通过分析市面上三款常见交互产品配套的头戴设备自身特点及存在的缺陷，总结出交互产品头戴设备共同面临的问题，并提出应对其进行轻量化改良设计。并从应用新型材料/结构、人体工程学、外观设计以及新交互技术的推进几个方面提出轻量化改良具体思路，以此促使头戴设备摆脱上述的问题的同时，探索新的设计思路。

关键词：头戴设备;轻量化改良;改善体验;舒适性;超重

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2019）02-0131-04

在以虚拟现实、增强现实和混合现实技术为代表的交互技术大行其道的今天，琳琅满目的各种交互产品头戴设备进入了大家的视野。虽然其外形、用途各不相同，但不少设备在交互体验和舒适性的取舍上选择了前者，导致其在零部件、结构等方面趋于笨重而重量剧增。对设计者而言，头戴设备的轻量化不仅成为影响用户体验的衡量标准之一，其未来发展趋势亦对此提出了要求。

1 头戴设备的定义与分类

头戴式显示设备（Head Mount-Display，简称HMD，以下称头戴设备），是一种将视界目镜、显示屏与头部位置进行固定，以凸透镜在1倍焦距之内形成正立放大虚像，再通过人脑处理令左、右眼的图像合成后进而产生立体感、从而在用户眼睛前方形成立体图像为基本工作原理的便携式电子显示设备，其组成部分有由显示器和透镜组成的目镜、头部感应/跟踪装置、信息处理器、外置分布式摄像头等。经过了多年发展之后，近年来随着虚拟现实（Virtual Reality，以下简称VR）和增强现实（AugmentedReality，以下简称AR）乃至混合现实（Mixed Reality，同时融合AR和VR产品特点的混合场景互动技术，以下简称MR）技术产品浪潮的带动，其重新成为各交互技术应用企业和研究机构重点关注的领域，并衍生出外形迥异、大小不一、所用技术不同的头戴设备。以不同定义标准，头戴设备也有不同的分类;按显像原理可分为光学透射式头盔显示器（Optical See-Through HMD）和视频投射式头盔显示器（Video See-Through HMD）;在应用类型上则有可“看穿”物理遮挡，用于AR设备的穿透式显示器和只显示输出的虚拟信号、用于VR设备的非穿透式显示器;根据佩戴方式则主要是头盔式、眼镜式和悬挂式等。

2 头戴设备目前的困境及问题

2.1 几款头戴设备特点分析

对于头戴设备自身而言，无论应用于何种交互产品，其宗旨始终是：“提升用户的视听体验，其通过肢体和身体动作，实现与显示场景的实时互动和交流”。外观、构造、佩戴方式等“硬件”因素受成像/算法技术、应用领域及使用条件等“软件”因素决定和制约。随着用户在体验感和交互性上提出更高的需求，设计者开始将更精密、笨重的传感器和部件集成在设备上，并运用更复杂的算法，以衍生出更多功能、更广需求和用途——此时头戴设备在外观、体积、结构等方面开始呈现增重、面密度变大的负面态势……原本在光学信号和算法传输等用于改善体验感和交互性的“软件”措施，也反让佩戴舒适度、交互动作、肢体受力等人体工程学范畴产生不良效果，头戴设备的“硬件”设计由此受到拖累。

以下是对几款已经上市VR产品的头戴设备，如图1，进行分析和总结，寻找这些头戴设备在设计上存在的问题：

1） Sony PlayStation VR l.0/2.0;作为Sony Play Station 4/Pro系列游戏机的专用VR外设套装，PlayStation VR（以下简称为PSVR）以多方发行的VR游戏作為其产品核心要素，并辅以影音、网络直播、网页浏览等附加功能以立足于多媒体终端的地位。自2015年投入市场以来，PSVR不仅成为自身游戏机终端核心用户的必备组件，凭借着较低的价格和入手门槛，也吸引了不少对VR感兴趣的新用户入手。

2） Facebook Oculus Rift;该产品始于Oculus公司（其后被Facebook收购）在201 2年发布的VR产品众筹项目，经过四年进化，其头戴设备从单眼只有640x800分辨率的液晶屏，三轴陀螺稳定仪，具备传输处理简单3D画面信号功能的1号原型机，成长为带有单眼分辨率1080 x1200的OLED显示器、能与多个外置红外传感器进行同步感应的内置动作处理器，以及具备3D视觉和音响效果的成熟VR产品。Oculus Rift创造了一款以头戴设备为核心，外置跟踪传感器、控制手柄和PC终端为配套设备，具备VR游戏体验、3D影视收看、社交、远程教育甚至工业应用功能的多用途VR产品。

3） HTC Vive/Vive Pro;由于大部分VR产品受制于自身技术、传输手段和设备重量，迫使用户交互时动作受限。所以在开发自家新VR产品时，HTC公司开始另辟蹊径——“站立式互动体验”。在HTC Vive的配套硬件当中，除常规的头戴设备、控制手柄、信号传感器外，还拥有两个被称为“Lighthouse”的外置追踪显示与控制定位系统——其透过与头戴设备上的感应点之间进行信号感应，这种交互方式提升了用户的活动范围，也让用途更为多元化的Vive具备了新的卖点。

尽管三款产品同为VR设备，但在作为主要交互器材的头戴设备上，其设计与功能既有彼此的特点，又出现各自的缺陷，如表1。

2. 2头戴设备问题总结

通过对PSVR、Oculus Rift和HTC Vive这三款交互产品的头戴设备各自特点和缺陷进行梳理分析后发现：尽管本身有所不同，但将这些特点与缺陷进行罗列对比后，仍可从中总结出一些共同的问题：

1）目镜体积太大、结构复杂笨重;出于让用户的视觉体验感更加逼真的考虑，几款头戴设备均通过配置大面板、高分辨率OLED显示屏，扩展视界范围等方式改善显示效果，为此显示屏目镜不仅遮挡了大半个面部，内置的供电线路和处理元件也使目镜内部结构更为复杂;而扩展视界范围亦增加了目镜和眼睛间的距离和所占空间……。上述情况累积后，显示屏目镜部分无论从外观还是体积、结构乃至重量等等都变得臃肿而笨重，如图2，占据了头戴设备大半重量的同时，对设备重心平衡、佩戴方式选择等方面带来一系列问题和限制;

2）固定方式舒适性不佳，欠缺考虑佩戴感;尽管三种产品均选择了悬挂式的佩戴方式，但Oculus Rift和Vive系列采用了更为传统的“左+右+上”三点式固定，如图3-出于减重/简化结构以及降低成本考虑，其固定箍主要材料为软胶或软胶+尼龙编织带。尽管因此满足了上述需求，但软胶、尼龙等材质吸水性、透气性不佳，用户长时间佩戴后与之接触的部分皮肤容易出现黏结、出汗甚至过敏红肿等不适现象;此外尼龙带缺乏拉伸延展性，较重的目镜部件经长时间牵引后会引起头颈部的疲劳甚至眩晕，即使带有一定弹性的软胶材质，在目镜勒紧作用力下其针对不适的缓解亦极其有限;

3）耳机元件的不足;耳机是交互设备中重要的音效输出组件，出于平衡功能（良好的音质和用户体验）与硬件（框架结构、线路与电子元件）重量之间矛盾的考虑，只有Oculus Rift在开发时便将其整合到头戴设备当中（且能够拆下）。在进一步改良产品设计时又受限于头戴设备原始尺寸和重量，只能选择在牺牲耳机体积和性能（如在侧箍内藏小型入耳式耳机的PSVR 2.0）或大幅更改设备外观和结构（重新设计侧固定箍结构以加入固定耳机的Vive Pro）上二选一，如图4。结果导致收听效果和佩戴感均未能满足客户和交互感需求;

4）有线连接的困扰;相比无线传输、有线传输能够保证视听信号在传输时的稳定快捷、同时免受外来因素干扰;但同时传输线连接接口多设置在设备后部，用户与场景互动时其身体移动及肢体动作（对于强调“站立交互体验”的HTG ViveNive Pro而言尤甚）易导致线材引发缠绕、拉扯和绊脚等具有危险性的情况发生;另外由于繁杂的功能元件所增加的传输线种类和数量，以及线材上为减少磨损的保护胶等，这些因素所引发的线材总重量偏大问题，也成为有线连接方式的弊端，如图5;

5）功能拓展的问题;PSVR，Oculus Rift与Vive是通过整合功能元件从而实现互动性和视听感功能的齐全，当AR/VR/MR设备进行交流互动时，部分未发挥作用的元件却成为“死重”，既影响佩戴感与舒适度，又缺乏拆换的灵活性;同时随着制式和性能的更迭，只能选择更新汰换整个设备而非只针对落伍的功能元件，间接导致资源浪费。

如今，交互产品的同质化趋势愈发严重，这些缺点不仅存在于上述三款设备当中，市面上其他头戴设备在重量、结构以及体积上亦愈发笨重和庞大，不仅恶化了用户交互体验，使用户产生畏惧与反感心理，还进一步激化了设备在功能和硬件方面的矛盾，不利于头戴设备未来的发展势头和跟进科技进步的步伐。

有鉴于此，ARNR/MR产品的头戴设备的进一步发展，需要着眼于“减重”、“简练”、“轻量化”等方面，对头戴设备自身进行设计改良，以在解决这些问题的同时，进一步提升交互性以及人机功效等方面，同时为其未来发展创造新的发展点。

3 头戴设备轻量化改良设计途径

此次对头戴设备进行的设计改良，通过“减法”式设计思路中“摒弃”、“精简”的宗旨，从以下几个着眼点对头戴设备进行轻量化改进，能够改善现今头戴设备当中所存在的一系列问题。

3.1 利用新型材料与结构实现轻量化改良

对头戴设备外壳和框架等部分进行减重处理，是头戴设备“轻量化”改良的重点投入方向。现如今，不少耳机、头盔、眼镜等头戴式产品应用新型复合类/纤维材料（如醋酸纤维素、复合碳纤维、LCA复合纤维等）构造外壳、结构框架等主体部分。和传统的ABS塑料、PVC树脂不同，与蜂窝状多孔、纳米晶体、薄膜或纳米管结构相结合的新型复合类、纤维材料，如图6，不仅具备重量輕、质地好的特点，其自身延展性好，屈曲强度高的物理性质也符合交互产品头戴设备对结构强度和韧度的要求。

另外，新型材料利用其自身特殊的化学属性，也能在头戴设备的子部件或电路构成等方面发挥减重作用，如聚苯胺及其衍生聚合物等具备良好的导电性能，若在头戴设备当中以“微电路结构”进行整合以补充或替代传统金属芯导电线、信号传输线，重构头戴设备的内部电路与外部元件的电信号传输等，既大幅度缓解了传统导线因线路直径或体积造成的“走线难”问题，又节省下由于外层保护胶和金属线芯造成的多余重量。

3.2 利用人体工程学范畴减少设备死重

以HTC Vive Pro为例，侧固定箍在增加耳机后进行了重新设计——由软质尼龙带变成硬塑材质，同时贴合头部轮廓并绕开耳廓，以为耳机组件腾出空间的同时避免与耳朵发生多余的干涉。在满足音效输出需求的同时取得了人机工效的最优解。由此可见利用人体工程学范畴改良头戴设备，能够产生较好效果。

同理，通过这几个方面，在人体工程学范畴实现减少头戴设备多余重量的目的：

1）使外形更贴合头部轮廓，虽然佩戴方式不同，但和头盔、眼镜、耳机等头戴产品类似，头戴设备在佩戴后需和头部保持静止和稳定，同时消除多余位移和晃动，因此需良好的固定效果。由此，修改固定箍外形走向、改变以往的三点式固定为多点固定（如以多条复合材料硬质固定条+软质连接带覆盖头部轮廓取代传统两侧+中间的全软质箍紧带的方式），能够直接提高固定效果;同时考虑需长时间佩戴，通过在固定箍和头部接触点等承力处采用软质缓冲构造能提高舒适性、减缓疲劳感;整合额外的功能元件（如耳机、麦克风等）同时做到保证输入、输出信号质量和改善佩戴方式（如耳机元件可由入耳式、覆耳式改为耳挂式、骨传导耳机）能够减缓用户产生不适的程度;最后针对不同年龄、性别的人群当中头部尺寸的差异，须保留一定的调节功能以更好适配其实际尺寸。

2）减缓线材对头颈部的牵引作用;出于保持良好视野与充足活动范围之需，将连接线设置于设备后半球是头戴设备的不二之选，但缩短减少连接线材长度的简单做法，又会影响交互活动的范围和幅度。作为设计者，应从对线材构造、收纳方式等方面的改良着手（如以光导纤维等轻便材料传输信号，削减保护胶厚度等），使之在保证强度、不被损坏的前提下减轻线材重量;另外，改良设备——线材接口为快速简单插拔设计，在线材出现剧烈拉扯时迅速解脱断开，缩短颈部受力时间，也能够降低因颈部由于牵引而发生意外的几率。

3）设备重心与头部质心重合;显示器作为主体部分，既占据着主要结构重量，设备整体布局和重心亦围绕其展开。在用户使用时，硕大的外壳加上包裹其内的液晶显示屏、信息转化处理器、信号传感器等元器件自身的重量产生了负荷施力作用，并随着固定箍持续施加于用户身体（尤以头部为甚），这也是用户在长时间使用头戴设备后产生疲劳感的重要原因之一。设计者可在修改、强化固定箍布局和结构，实现第一点的同时，将原本集中布置在目镜内的部分传感器或元器件分散整合到固定箍上，实现其体积缩小和减重，并将设备整体重量转移至头戴设备边缘;另一方面，添加了元器件的固定箍因结构变化、固定效果增强，一定程度上消除了部分前向负荷施力作用，同时平衡了整个头戴设备重心分布，使之向头部活动中轴质心处靠拢，减轻了由于两者距离过远造成额外的负荷施力作用，从而避免了Oculus Rift、Vive等头戴设备目镜内元器件过多，结构过分精简导致固定箍设计“头重脚轻”的情况。

4）使用更亲和人体皮肤的材料;尼龙纤维、PVC塑料、ABS树脂及硅胶聚合物等材料因价格低廉、重量较轻等特点，在行业中普遍用于制造头戴设备在内的硬件。但这些高分子材料具有硬质地、抗碰撞性、耐磨损或耐热等物理特性，而透气性、与人体乃至皮肤触感等方面却表现欠佳，才导致使用时因和皮肤摩擦接触而产生静电击打、红肿、磕碰、出汗甚至过敏痛痒等不适状况的出现，在生理和心理层面让用户对佩戴设备产生抗拒感。若能在材料应用中对设备与人体毛发和皮肤接触部位（如显示器贴脸部分、耳机贴耳处、头箍内侧和后脑勺等）使用人造皮革、布料、海绵、凝胶等质地软、透气好、与皮肤更亲和的材料，既减緩了因上述情况造成的人体不适感，又实现在固定性的前提下提高了设备抗摩擦、抗冲击的效果，从而改善了人机性，间接延长了头戴设备进行交互活动的时间。

3.3 从外观着眼改善用户心理感受

外观设计主要从颜色和线条两方面着手，常见的头戴设备外观在颜色上多采用黑白两色或与之相近的单一颜色（多偏冷色系）作为主色调;线条则倾向于使用直线立方体或单一曲率弧度曲线为主，辅以切角或圆滑倒角处理边缘;这种外观风格虽结构简单、设计门槛低，有利于生产前的模具定型，然而过于呆板的造型易让用户产生审美疲劳，缺乏变化的线条和暗色调之间的粗暴组合对光线折射率低，造成设备轮廓模糊，给人以笨重、肥胖的心理暗示感，加之设备自身重量超标，从生理和心理层面对用户形成压迫、沉重感。

在设计心理学上，轮廓线条和色彩是一款产品能够给予用户最直观的要素。由于直线条往往给人以硬朗、坚固、锋利、直接的心理感受，显然不利于希望通过强调“柔合”、“轻盈”、“亲和”等要素以改善重量问题的头戴设备继续沿用——利用抛物线或连续曲率曲线设计对固定箍、显示器外罩、耳机听筒和外置传感器部件进行修型，使整体外观趋于圆滑、流线、小巧玲珑，在摆脱固有外观样式，给用户带来新鲜感的同时，从心理感受层面给用户带来“简洁”、“细致”的感受;另外，作为人眼对光波长最直观的感知，色彩通过心理暗示唤起人们内心最深层的情感，并反馈表现为生理体验。如绿色能让人感受平和、舒适、安全;橙色能使人觉得活泼、阳光;蓝色则带给人放松、镇静的感受等。若在头戴设备外观形态设计中将上述心理暗示的颜色作为外观主体色或相互搭配运用，对用户产生积极的心理暗示，改善其对头戴设备重量和触感等方面的心理认知与感受，从而减轻“负重感”并达至舒缓压力.减少疲劳的生理感觉，如图7。

3.4 新交互技术对轻量化设计的促进

如前所述，内置零件自重与体积较大且数量过多是造成头戴设备自身超重的关键原因之一，除了将其分散布置以改善重心及佩戴时的不适感之外;减少精简零部件所占体积、重量以及数量，才是彻底解决头戴设备过重的根本途径——这一点实现的前提，是新型交互技术在市场上的推广及应用。

如今，诸如直播式音视频同步、运动即时同步等新交互需求的出现，与之对应的新式交互算法开始作为新AR/VR设备的常备，由于信息处理量及传输速度的提高，为满足需求，不少如同小型信号处理器等原内置于头戴设备的功能部件被挪至单独的外部信息处理终端当中，而其之前所占头戴设备的重量比重，也随着消失。

此外，像陀螺仪、光学折射镜一类作为头戴设备稳定性和主光学元件的功能部件，则从传统的机械式、激光式和多重折射镜变成新的光纤式、MEMS式和超透镜等，在结构、重量、尺寸和可靠性等方面发生了可观变化，由此零部件之间的更新换代也作为新交互技术应用副产物，在头戴设备的轻量化道路上发挥积极的作用。

4 总结

无论是VR、AR还是MR，不同类型、不同品牌的交互产品之间对功能、应用方式和设计理念虽有所不同，但头戴设备的超重问题却始终是其发展过程，乃至影响用户交互感受的掣肘。对PSVR、Oculus Rift和HTC Vive三款产品的缺点进行罗列总结，可看出轻量化设计既影响头戴设备交互性的实现，也将成为未来设备设计的重要体现点。由此，通过新材料和结构的应用，人体工学的改良，注重外观设计以及新交互技术的应用之下，成功实现轻量化的头戴设备能够带领着VR、AR和MR产品在未来的发展道路上，实现新突破的同时，带给用户截然不同的新体验感。

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