身体偏转对虚拟现实头控交互操作的影响

邓成龙,赵铭,蒯曙光,,3

(1.华东师范大学 脑科学与教育创新研究院，上海 200062；2.华东师范大学 心理与认知科学学院，上海 200062；3.华东师范大学 上海市心理健康与危机干预重点实验室，上海 200026)

1 引言

虚拟现实(VR)技术已经广泛应用于心理学研究[1]、教育[2]、娱乐[3]和仿真训练[4-5]等不同行业。在VR应用场景中，操作者需要与虚拟物体进行大量的交互，比如点击、移动、旋转和缩放等操作[6-7]。不同于鼠标、触摸屏等二维平面上的交互，3D空间的交互面临很多抖动的问题。一方面,三维空间交互没有支撑，主要是悬空操作，导致交互的抖动增大；另一方面，虚拟物体的距离较远，超过了手臂的范围，因此VR空间主要采用射线技术与虚拟物体交互，远距离操作进一步放大了基于射线技术交互的抖动[8-9]。这些情况对VR中的交互技术提出了新的挑战，需要更稳定的交互方式。头控交互一直是人机交互领域关注的重点，过往研究已经证明了头控交互具有很高的稳定性。在完成指向小目标的任务中，头控比其他的交互方式具有更高的操作效率和更低的错误率[10-11]。基于这些特点，头控交互已经成为了VR的重要交互方式，很多应用场景使用头控完成操作。因此，详细了解头控的操作特性，对VR中的头控交互设计有重要的意义。

过往研究探讨了人类在身体直立状态下头控操作的时间特性。一些研究者发现使用头控选中静止目标的总操作时间(MT)与移动距离(A)和目标宽度(W)之间的关系满足经典的费茨定律[10,12-14]：

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

(1)

其中a和b是拟合常数，ID是任务难度。另外一些研究者进一步分析了头控的操作过程，他们发现，头控需要消耗相对较长的时间将光标从起点移动到目标区域附近，但是只花费很短的时间将光标放入目标区域内，证明了头控具有良好的稳定性[11,15-16]。随着VR技术的发展，越来越多的VR仿真应用开始模拟真实环境的操作，比如飞行等，操作者需要在身体处于偏转状态下完成瞄准、射击等任务。当我们的身体发生偏转时，重力对身体的影响也会发生改变，研究显示身体偏转会影响身体不同部位的肌肉力量[17]、对身体偏转程度感知的准确性[18]、以及指向目标的准确性[19-20]等。少量研究还发现身体偏转也会影响手控指向目标的操作时间[21]。比如，Scotto Di Cesare 等人(2014)在研究中比较了身体在无偏转与向前偏转(6°，12°，18°)状态下用手指向消失的目标的表现，他们发现身体向前偏转的操作反应时和完成时间大于无偏转状态[21]。然而，目前还没有研究者探讨过身体偏转对头控操作时间的影响，头控在身体偏转状态下的操作时间特性还不清楚。

为了获悉身体偏转如何影响的头控的操作时间特性，本研究通过一台模拟器改变身体的偏转角度和偏转方向，让被试在VR中完成一项常见的放置任务：把一个目标快速放入指定的目标中。我们设置的实验场景与人的身体共同偏转，光标和目标与人的相对位置不发生变化，头只在自身坐标系的水平方向上转动。为了系统了解身体偏转对头控操作时间特性的影响，我们参照过往研究的方法，将移动过程分成三个阶段：加速阶段、减速阶段和调整阶段[15-16]。加速阶段和减速阶段代表了光标从起点移动到目标附近的阶段，与交互方式的速度有关。调整阶段则是将缓慢调整光标位置对准目标，与交互方式的稳定性相关。本研究提出两个假设，假设1：相比无偏转状态，身体在偏转的情况下，头的转动速度变慢，导致加速阶段和减速阶段的操作时间增加，同时由于重力的影响引起头控的抖动增加，继而增加调整阶段时间，因此身体偏转将增大头控的总操作时间；假设2：由于在不同身体偏转方向下脖子克服重力的情况不同，因此不同偏转方向对头控操作时间的影响存在差异。

2 对象与方法

2.1 被试

一共招募了20名在校大学生参与此实验，其中包括9名女性和11名男性，他们的平均年龄为22岁(SD=1.9岁)，平均身高为169.4 cm(SD=5.3 cm)。他们的视力或者矫正视力正常，所有被试均为右利手，无脖子转动障碍。他们对实验目的不知情，完成实验之后将获得一定的金钱报酬。

2.2 实验仪器

本研究使用Oculus Rift虚拟现实头盔(单眼分辨率：1 200×1 080；刷新率：90 Hz；最大视角：110°)，能够实现头部的6自由度(位置：X，Y，Z；旋转：Yaw，Pitch，Roll)定位追踪。在实验过程中，我们关闭了Oculus Rift的位置追踪功能，只保留旋转追踪功能，实验参与者只能通过转头完成任务。此外，我们使用了一个模拟器座舱(长2.55 m × 宽2.45 m×高2.5 m)改变参与者的身体朝向和角度，模拟器能够在X轴(Pitch)和Z轴(Roll)自由旋转360°(图1a)。实验还使用一个安装在旋转座舱右侧的摇杆，通过摇杆上的按键确认光标的选中和放下操作。实验程序由Unity5.6.2和C# 编写，并运行在Alienware Area-51(System：windows 8.1；CPU：Intel Core i7-5820K；RAM：32G；Video Card：NVIDA GeForce GTX TITAN X)电脑上。

2.3 实验设计

本研究采用的实验刺激如图1b所示，虚拟场景中放置一块2 000 m×2 000 m的灰色背景，一个黄色的小球(光标)和一个白色半透明的小球(目标)出现在背景的前方，距离被试正前方3m深度的位置，高度与参与者的眼高相同。光标直径大小为2°和4°。由于在放置任务中，操作时间与目标容差(目标与光标大小的直径差异)呈现规律性的关系，因此本实验采用目标容差作为自变量，设置了三个水平：1.5°、3°、5°，对应的目标直径在3.5°和9°之间(图1c)。光标随机出现在参与者视野的左侧或右侧，目标则对应的出现在视野的右侧或左侧，因此参与者需要从左向右或者从右向左转头将光标放入目标区域内，光标与目标的距离设置为25°和50°。参与者需要在不同的身体偏转角度(0°、30°、45°、60°)和身体偏转方向(左偏，右偏，前偏，后偏)情况下完成任务(图1d)。为了确保光标和目标与参与者的相对位置和方向保持一致，光标和目标与参与者一起偏转。综上，本研究采用4(身体偏转方向：左、右、前、后)× 4(身体偏转角度：30°、45°、60°)× 3(目标容差：1.5°、3°、5°)× 2(移动距离：25°、50°)× 2(光标大小：2°、4°)× 2(头的转动方向：从左往右、从右往左)的被试内设计。此外，被试还需要在偏转角度为0°的情况下(直立状态)完成任务作为基线。

图1 实验设置示意图

注：(a)实验设备和操作示意图。参与者坐在模拟器内戴上VR头盔完成任务，右手握住固定在模拟器上的摇杆，用于光标的选中和放下确认，模拟器能够在X轴(Pitch)和Z轴(Roll)上自由旋转360°；(b)实验刺激.。黄色小球为光标，白色半透明小球为目标区域；(c)放置任务中的实验参数设置示意图。目标容差定义为目标直径与光标直径的视角大小差异；移动距离定义为目标位置与光标的初始位置之间的直线距离对应的视角大小；光标大小定义为光标直径对应的视角大小；(d)身体直立和四种身体偏转方向示意图。

参与者一共需要完成5个session，第1个session是练习，后面4个session是正式测试，每天完成1个session，总共需要5天，以避免长时间使用VR引起的疲劳和晕动等问题。每个session包含13个区组，由身体偏转方向与偏转角度的所有条件组合(12个区组)加上基线(1个区组)组成。每个区组包含所有的目标容差、移动距离、光标大小和头的转动方向的条件组合，总共是24个试次，所有条件组合顺序随机。此外，区组的呈现顺序随机，并且连续两次区组的身体偏转方向不同。

2.4 实验过程

本研究得到了华东师范大学伦理委员会的批准。被试在测试前自愿签署知情同意书，然后进入模拟器座舱，佩戴好安全带，戴上VR头盔，用右手握住摇杆。程序首先播放当前区组的偏转方向和偏转角度提示声音，被试按一次摇杆上的按键，座舱偏转到指定的位置，然后开始任务测试。在虚拟场景中，一个黄色光标小球和一个白色半透明的目标球分别随机地出现在被试的左(右)侧和右(左)侧(图1b)。在被试的正前方有一个红色的小点代表头的朝向。被试转头指向黄色光标，然后按下摇杆上的按键选中光标，此时光标颜色变为红色。接着被试通过转头将光标又快又准地完全放入到目标球内，并再按一次摇杆上的按键放下光标，完成当前试次。如果小球没有完全放入目标球体中，系统给出错误提示音。当一个区组结束之后，模拟器座舱回到水平位置，参与者休息至少40 s，然后座舱转动到下一个区组的指定位置，继续完成任务。在正式测试前被试需要完成20次偏转角度为0°的练习试次，熟悉任务的操作过程。实验程序记录了任务的完成时间和光标的移动轨迹，采样率为90 Hz。被试一共需要完成5个session，每天完成一个session，每个session需要花费大约1 h。最后一个session结束之后，被试需要完成一份7点李克特操作难度问卷，对不同身体偏转方向和偏转角度的操作难度评分，1分表示操作非常容易，7分表示操作非常困难。

2.5 数据分析

由于一名被试的总操作时间(1 835 ms±649 ms)远大于其他被试的操作时间(1 084 ms±126 ms)，因此被剔除，剩余19名被试的数据进入分析。

我们对光标的移动过程进行分析，并参照过往研究的划分方法将光标的速度轨迹划分成加速阶段、减速阶段和调整阶段(图2)[15-16]。加速阶段为光标从开始到速度达到最大值。减速阶段与调整阶段的分界点为光标速度<最大速度的一半，并且满足如下三个标准之一：(1)光标的速度方向由正变为负；(2)光标的加速度方向由负变为正；(3)光标的加速度为负，但是其绝对值<加速度最大值的0.1倍，并且持续一段时间。

图2 光标在X轴方向(自身坐标系)的速度轨迹样例和三阶段划分标准示意图。三阶段划分标准参考Deng等人(2019,2022)的研究方法。在每次任务开始前，光标位置指向目标位置的方向为速度的正方向。

身体在直立的情况下，完成任务的正确率非常高，达到了98.14%，当身体偏转到60°时，完成任务的平均正确率仍然高达96.97%，说明了头控的稳定性，因此我们只分析正确试次的时间数据。我们根据公式，把移动距离和目标容差两个自变量结合，换算成任务难度指标ID，总共包含6个任务难度值(表1)。我们对操作时间进行重复测量方差分析，并对不满足球形假设检验的结果进行Greenhouse-Geisser校正。

表1 任务难度以及对应的移动距离(A)和目标容差(TT)组合

3 结果

3.1 总操作时间

图3 操作总时间

注：图中ID表示任务的难度，由不同的移动距离(A)和目标容差(TT)组合获得，ID1 - ID6任务难度逐渐增大。实线表示A=50°(ID3，ID4，ID6)，虚线表示A=25°(ID1，ID2，ID5)。菱形图标表示TT=1.5°(ID5和ID6)，三角形图标表示TT=3°(ID2和ID4)，圆形图标表示TT=5°(ID1和ID3)。

3.2 三阶段操作时间

图4 三阶段操作时间

注：图中ID表示任务的难度，由不同的移动距离(A)和目标容差(TT)组合获得，ID1 - ID6任务难度逐渐增大。实线表示A=50°(ID3，ID4，ID6)，虚线表示A=25°(ID1，ID2，ID5)。菱形图标表示TT=1.5°(ID5和ID6)，三角形图标表示TT=3°(ID2和ID4)，圆形图标表示TT=5°(ID1和ID3)。

3.3 难度问卷结果

图5 操作难度问卷得分

3.4 模型拟合

头控的操作时间受到移动距离(A)、目标容差(TT)和身体偏转角度(RD)的影响，我们建立操作时间与三个影响因素的函数关系，量化头控的操作时间。由于初始距离和目标容差对头控操作时间的影响与以往研究一致，因此我们仍然在费茨定律(公式1)的基础上增加身体偏转角度。本研究的结果显示，操作时间与身体偏转方向呈线性关系，并且身体偏转方向与任务难度没有强交互作用，因此身体偏转角度在新模型中作为独立参数。此外，在本研究中，由于光标大小的影响很小，头的转动方向没有显著差异，因此新的模型不考虑这两个因素。综上，我们提出的新模型如下：

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

MT表示操作时间，A表示移动距离，TT表示目标容差，RD表示身体偏转角度，a、b和c是模型拟合常数。分别拟合四个偏转方向的数据(见图6)，结果显示，模型能够很好地解释所有偏转方向的数据变化(左偏：R2=0.9541；右偏：R2=0.9449；前偏：R2=0.9650；后偏：R2=0.9510)(图6)，模型拟合结果的详细参数见表2。这些结果证明了我们提出的模型的合理性。

表2 四个身体偏转方向的公式2拟合结果参数

图6 公式2对四个身体偏转方向数据的拟合结果

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

4 讨论

本研究在VR环境中通过使用头控完成放置任务，系统探索了身体偏转对头控操作时间的影响，我们发现身体偏转会降低头控的整体操作效率，但是我们的研究结果部分支持了实验假设1。我们猜测身体偏转会同时增加加速阶段、减速阶段和调整阶段的操作时间。本研究的结果显示，身体偏转增加了调整阶段的时间，但是并没有增加加速和减速阶段的时间。相反，加速阶段的时间基本不受身体偏转角度的影响，并且增加偏转角度反而减少了减速阶段的时间。这些结果表明，被试在身体偏转状态下提高了转头速度，使得光标更快地从起点移动到目标附近。然而，身体偏转对减速阶段带来的时间优势小于对调整阶段造成的时间损耗，导致总的操作时间增加。

本研究还发现不同的身体偏转方向对头控操作时间的影响不同，向后偏转的操作时间最长，向左和向右偏转的操作时间次之，向前偏转的操作时间最短，这些结果说明重力对不同身体姿势状态下脖子的转动造成了不同的影响，与实验假设2一致。此外，我们还发现当偏转角度从0°增加到45°时，向前偏转的操作时间与身体直立状态下的操作时间非常接近，向前偏转的平均操作时间只增加了9 ms，然而，当身体偏转角度进一步增加到60°时，操作难度开始快速增加，操作时间相比直立状态增加了47 ms，该结果说明在一定的偏转角度内，向前偏转不会增加头控的操作难度。该结果也支持了其他的研究发现。虽然Scotto Di Cesare 等人(2014年)发现身体向前偏转18°时手控指向目标的操作时间显著大于无偏转状态下的时间，但是他们的结果显示身体偏转与无偏转的平均完成时间差异在10 ms左右[21]，身体向前偏转对手控操作的影响也很小。

本研究结果对VR中的头控交互设计有重要的帮助作用。首先，我们的结果为身体偏转角度范围的选取提供了参考依据。我们结果显示，身体偏转30°对头控操作时间的影响很小，但是增加到60°，操作难度快速增加，因此进一步增大偏转角度，可能影响用户体验。其次，本研究的发现也为身体偏转方向的选取提供了参考。本研究结果提示相关的VR应用应优先考虑用户在向前偏转情况下完成任务，而尽可能避免在身体向后偏转时完成任务。最后，我们改进了费茨定律模型，融入了身体偏转角度因素，使得新模型的应用范围更广，帮助交互设计人员预测用户的表现，量化任务难度，节约设计时间。

本研究也存在一定的不足。首先，头控操作容易引起脖子疲劳[10,22]，本研究没有比较身体处于偏转状态下与无偏转的疲劳程度差异。其次，我们只采用了选中静止目标任务，在VR中还存在很多其他任务，比如选中运动目标、移动、旋转等操作[6-7]，身体偏转角度和偏转方向对头控操作时间影响的差异是否一致，还需要进一步验证。

5 小结

本研究系统探讨了在VR环境中身体偏转对头控完成放置任务操作时间的影响。我们的结果证明了身体偏转加大了头控的操作难度，并且不同偏转方向的操作难度不同，向前偏转的难度最低，向后偏转的难度最高，向左和向右偏的难度转介于两者之间。我们提出了包含身体偏转角度的模型，该模型成功地解释了头控在四个偏转方向的操作时间特性。本研究结果为VR中的头控交互设计提供了重要的帮助。

致谢

感谢孙晨、田宸宇和邱运达对本研究数据采集和分析提供的帮助。