研究团队通过VR头显头部指向技术HeadShift提升精度和人体工学
减少错误率和工作量
（映维网Nweon 2025年02月21日）对于VR头显，头部指向广泛用于输入动作。头部运动在头显中的主要作用是基于头部旋转到3D环境的绝对映射来控制视口。头部指向通常由相同的1:1输入映射支持，其中光标固定在视图的中心，但这需要夸张的头部移动并限制输入粒度。
在一项研究中中，英国兰卡斯特大学和加拿大多伦多大学团队提出采用动态增益来提高人体工学和精度，并介绍了HeadShift技术。
HeadShift的设计以自然的眼-头协调为基础，以不同的速度控制视口和光标。团队在实验中发现这项技术可以减少错误率和工作量。
头部指向是头显中最容易获得的空间交互方式。使用头部进行指向提供了免手输入，并且由于用户对头部运动的精细控制，它比注视更精确。由于头部总是指向头戴式显示器的中心，最先进的方法是用固定在显示中心的光标来支持头部指向。头部运动与3D场景上的光标运动1:1映射，并且光标与显示器严格耦合。
然而，这存在几个缺点。选择只能在显示中心进行，用户需要移动整个视图进行选择。光标速度与头部旋转速度有关，这限制了远距离定位的效率和选择小目标的精度。用户需要将他们的头完全转向一个指向的目标，这是不自然的，因为我们通常只会将我们的头转向必要的程度，以使目标进入一个舒适的眼顶观察范围。将头部与目标完全对齐所需的运动增加了努力。
所有这一切都损害了交互的效率和人体工学。针对这个问题，英国兰卡斯特大学和加拿大多伦多大学团队介绍了一种具有动态控制显示（CD）增益的头部指向技术HeadShift。
动态增益指向是与显示器分离的相对输入设备的默认行为，例如图形用户界面中的鼠标或触控板。CD增益是根据输入装置的速度来操纵，以放大光标在快速过渡到目标时的运动，同时确保在弹道运动结束时对光标的精细控制。
然而，研究人员使用动态增益的动机是改善头部指向的人体工程学。他们的想法是基于眼睛和头部在视觉获取目标时的自然协调：眼睛移动得更快，首先到达目标，而头部跟随得更慢。因此，考虑动态增益，使光标由头部控制，但向目标移动的速度比头部快，而头部只需要跟随光标在目标上精确定位的舒适范围内。
设计具有动态增益的头部指向技术并不简单。由于头部运动是作为运动空间中的矢量跟踪的，因此它更直观地将光线投射与显示空间的绝对映射结合起来。当通过增益修改映射时，这应符合眼睛和头部的自然关系，以保持直接指向的印象。
头部运动支持眼球跳视，大多数注视注视发生在与头部矢量偏移10-15°时，但在较大的注视角度时，头部指向会变得不舒服且不精确。在头戴式显示器中，我们有一个额外的挑战，即头部运动已经控制了视口。使用不同于视口控制的指向映射，光标可以在显示中心的偏移量上移动，从而导致偏移量累积并将光标移动到超出舒适范围的问题。
鉴于所述挑战，之前的研究只考虑了人工或目标接近触发的改进模式的增益。相反，团队设计了HeadShift，使其在没有任何基于非线性传递函数的目标辅助情况下工作。他们通过在头显中测试Fitts’Law任务并分析主要和次要指向子运动来迭代开发技术。
研究人员计了具有高增益和低增益状态的传递函数，用于粗略定位和精细定位，以及用于中速和快速指针加速的模式。他们进一步将光标偏移控制集成到传递函数中，以将指针包含在一个舒适的范围内。
与传统的头部指向相比，由于光标向目标移动的速度比视口快，所以可以用更少的头部移动来获取目标。
团队进行了两项研究来评估HeadShift的性能和可用性，并将其与两种不同的头显中的传统头部指向进行了比较。他们在实验中发现移动时间没有显著差异，但HeadShift的错误率较低。
一项针对三种不同虚拟现实应用指向的可用性研究表明，HeadShift可以改善人体工学，特别是对于需要垂直指向的任务，以及需要高精度的任务的效率。
研究证明了技术的通用性和有效性，包括垂直和水平指向更大范围，以及动态显示的目标。
相关论文：HeadShift: Head Pointing with Dynamic Control-Display Gain
总的来说，对于免手交互来说，头部指向非常有吸引力，特别是对于内置头部追踪的头戴式显示器来说。这项研究提出了一项具有动态控制显示增益的头部指向研究，以解决在1:1映射中传统使用头部输入的可用性限制。
HeadShift支持头部指向动态增益，同时确保光标保持在头部矢量周围舒适的范围内。研究结果表明性能效益主要体现在输入精度的提高之上，而这对于光线投射输入精度有限的3D交互非常重要。另外，所述技术减少了用户努力，避免了视口与目标对齐时夸张的移动。同时，这项技术减少了达到目标所需的颈部旋转的整体范围，改善了人体工程学，可以帮助避免颈部紧张，同时增加交互范围。
