帮助残障人群体验VR,微软研究探索基于单手输入映射的双手交互

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帮助残障人群使用VR

映维网 2021年09月09日)虚拟现实为教育、游戏和医疗等众多领域的沉浸式数字体验提供了一个前所未有的机会。所述体验主要是通过头显,它隔断了用户对现实世界的感知视觉,并呈现了各种数字交互式虚拟环境。

通过内置在头显中的摄像头,用户可以使用双手或控制器来与填充虚拟环境的对象进行交互。虚拟现实应用程序中的交互通常与真实世界中的交互相似。例如,投掷虚拟保龄球需要用户在释放之前从后向前地摆动手臂。这种交互方式与PC、移动和主机游戏系统形成鲜明对比。对于所述类别,用户一般是使用各种滑动、轻触、按键和鼠标移动来控制虚拟内容。

虚拟现实所能提供的身体参与程度提供了一种沉浸感,这在依赖2D输入的传统计算平台中并不存在。与所有交互技术一样,虚拟现实中的交互假设用户具有一定的身体能力,亦即正常人,但一般不涉及残障人士。微软一直致力于实现无障碍VR,所以研究人员分析了影响残障人士使用VR的挑战并探索了各种解决方案。

例如在《Two-In-One: A Design Space for Mapping Unimanual Input into Bimanual Interactions in VR for Users with Limited Movement》中,研究人员发现同时操作两个控制器可能会对手臂截肢、中风,或是需要一只手控制电动轮椅的人士带来重大挑战。VR应用通常需要用户控制双手虚拟化身并执行双手交互,所以,无论是出于选择还是出于必要,只能使用单个VR控制器的人群难以享受这种应用体验。

允许移动受限的用户使用单个控制器在虚拟现实中执行双手交互可以显著提高虚拟现实应用程序的无障碍性。然而,目前尚不清楚设计师和开发者应如何实现这种体验,以及移动能力有限的用户在使用VR应用时可能会经历哪些权衡。

虚拟现实体验的创造者需要结构化的方法来开发双手交互的无障碍替代方案。针对这种情况,团队提出了一个用于将单手输入映射成双手交互,以供行动受限用户使用的设计空间。

团队首先根据运动链理论描述了四种类型的双手交互,并将现有VR游戏和应用程序中发现的双手互动分为四类。作为说明,运动链(kinematics chain)是一种把两个或两个以上的构件通过运动副联接而构成的相对可动系统。然后,团队介绍了如何使用设计空间来创建交互技术,从而能够更容易地控制虚拟现实中的双手交互。最后,研究人员进行了一项远程视频诱导研究,涵盖17名活动受限被试。他们对微软实现的三种原型交互技术提供了反馈。

总的来说,微软的Two-In-One二合一设计空间是一个创建和评估不同输入技术的工具,并可以将单手输入映射成双手交互。团队假设在虚拟现实中,用户用运动控制器(受控手)控制一只手,而在虚拟现实中,另一只手由输入技术(虚拟手)控制。跨越设计空间的两个维度是(1)双手交互类型和(2)计算机辅助。双手交互类型允许VR应用程序开发者能够将所有VR双手交互放在四种交互类型之一,这样他们创建输入技术期间就可以利用每种交互类型的不同属性。计算机辅助则支持VR应用程序开发者能够考虑每个交互类型的属性可以如何利用先进的计算方法来卸载用户对计算机的操作,并考虑在评估期间与输入技术相关的折衷。

1. 双手交互类型

第一个维度包括在虚拟现实中发生的双手交互类型。如果没有这个维度,开发者必须确定所有可能的双手交互,并为每次交互单独制定一个单手解决方案。但在团队的设计空间中,开发者可以将VR双手交互分为四类,并为每种交互类型开发单手解决方案。

总之,团队假设所有VR双手交互可分为四种交互类型之一:

  1. 对称同相:左手和右手同步进行相同或相似的运动,如跳绳。
  2. 对称异相:左手和右手一个接一个地串联或异步地执行相同或类似的动作,如爬梯子。
  3. 不对称协调:左手和右手在相关对象执行不同的动作,其中非主导手充当稳定手,并由主导手执行动作,例如挥舞高尔夫球杆)。
  4. 不对称不协调:左手和右手在两个不相关的对象执行不同的动作,其中每只手彼此独立移动,一只手的移动与另一只手的移动无关,例如同时使用两把剑。

2. 计算机辅助技术

第二个维度考虑了虚拟手的动作应该如何通过输入技术进行控制。由于虚拟现实的虚拟性,开发者有机会通过计算机辅助技术来减轻用户的工作量。

开发者可以根据任务来权衡计算机辅助技术何时开启或关闭。当计算机辅助技术处于启用状态时,虚拟手部将不会直接由用户控制,而是由计算机辅助技术控制。计算机辅助技术的好处是,当计算机控制虚拟手部时,用户可以只专注于操纵受自己控制的手。决定虚拟手部行为的逻辑可以通过启发式或算法编程,并可以利用机器学习的进步。计算机辅助对用户非常有帮助,因为用户只需要管理自己的受控手,这会减少用户的工作量。然而,计算机辅助可能会导致失去自主性的感觉,因为虚拟手可能放置在不需要的位置,或者执行用户预期之外的交互。

当计算机辅助关闭时,用户可以以某种方式直接控制他们的虚拟手。这种额外的控制同样有益,因为用户可以直接与虚拟现实环境交互,从而提高自主性,但同时可能会增加用户的工作量。

例如在一个实现中,用户可以通过眼睛注视或头部转动等替代方案来控制另一个虚拟手部;在另一个实现中,可以提供模式切换,其中用户通过受控手控制一个虚拟手部,然后再切换控制另一个虚拟手部;在又一个实现中,可以根据用户意图并参照一个虚拟手部的动作来推断另一个虚拟手部接下来的动作,比如说攀爬梯子。

在上面的图A中,用户仅使用一个控制器(右手)来进行攀爬,其中系统根据虚拟右手的运动自动推断虚拟左手接下来的动作。在图B中,用户用受控手来操作虚拟右手,而虚拟左手可以由头部转动来控制,亦即头显发出的红外线。在图C中,用户可以通过模式切换,用单个控制器轮流控制虚拟右手和虚拟左手。

相关论文Two-In-One: A Design Space for Mapping Unimanual Input into Bimanual Interactions in VR for Users with Limited Movement

当然,团队指出了所述研究的局限:首先,被试没有直接体验原型,所以只能从视频启发中推断出他们的偏好。由于沉浸感是虚拟现实的一个重要方面,所以如果被试亲身体验原型,其观点可能会改变。另外,本次研究只涉及少数被试(集中在男性,24人只有4人为女性),而且不少被试原来都没有接触过VR运动控制器,所以他们不得不从视频中推断运动控制器的操作。再者,数量有限的原型中有两个攀登实例。尽管有限的交互实例有助于识别特定交互的偏好,但这样显然无法识别其他交互的偏好。最后,与正常人的交互相比,特定的解决方案会增加残障人群的工作量并减损体验,所以如何针对这个群体开发特定的应用内容同样是一个问题。

接下来,微软将根据所述问题继续进行研究,并希望帮助探索出有效的方案。

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