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摘 要 ：虚拟现实技术是一种将计算机图形学、多媒体技术、传感技术等多学科领域的技术进行有机整合而形成的一种综 合性的新兴技术。通过虚拟现实系统,可以让使用者感受到身临其境的沉浸感。随着虚拟现实技术在各个行业中应用的日益广 泛,沉浸式交互设计在虚拟现实中的应用也逐渐增多。本文针对沉浸式交互设计在虚拟现实中的应用进行分析,对其特征、体 系结构、工作原理以及技术要求进行阐述,并以《VR 动物园》为例,剖析沉浸式交互设计在虚拟现实游戏中的应用。
关键词 ：虚拟现实技术,沉浸式,交互设计,应用
1 沉浸式交互设计的主要特征及其在虚拟现实中的作用
沉浸式交互设计需要以沉浸感、自由度、实时性和多模态等为特征,通过设计交互方式和交互体验,让用 户获得更加真实、自由和流畅的交互体验,从而提高用户的使用体验和满意度 [1]。沉浸式交互设计有几点主要 特征,如表 1 所示。
在虚拟现实技术中,沉浸式交互设计可以让使用者 实现多感官体验,在这个过程中,使用者不仅可以看 到、听到、感受到真实世界中无法感知的事物,而且还 可以通过与虚拟环境中的交互来完成很多日常生活中无 法完成的事情。在虚拟现实中,沉浸式交互设计通过让 使用者进入到一个虚拟空间,使其与虚拟环境中的人物 进行交流、互动、完成任务等。此外,沉浸式交互设计 还能够让使用者在虚拟现实环境中与虚拟人物进行交流 互动,从而更好地了解和认识身边的事物。
2 沉浸式虚拟现实系统的体系结构和工作原理
2.1 体系结构
沉浸式虚拟现实系统一般由三个主要组成元件构 成 ：硬件、软件和用户接口。这些元件共同作用,组成 了沉浸式虚拟现实系统的基本体系结构,使用户能够在 虚拟环境中获得更加真实、自然的体验。
2.1.1 硬件
硬件是沉浸式虚拟现实系统的核心组成部分,主要 包括 ：
(1)显示器 ：通常是立体显示器或头戴式显示器, 用于呈现虚拟环境。
(2)感应器 ：用于检测用户的动作和位置, 并将其 转换为虚拟环境中的相应动作。
(3)控制器 ：用于控制用户在虚拟环境中的行动, 例如,手柄、键盘、鼠标等。
(4)计算机 ：用于运行虚拟现实软件和处理虚拟现 实环境中的数据。
2.1.2 软件
软件是沉浸式虚拟现实系统的另一个重要组成部 分,主要包括 ：
(1)游戏引擎 ：用于生成虚拟环境和控制用户的 交互。
(2)模型和动画 ：用于创造虚拟现实环境中的物体、 场景、人物等。
(3)物理引擎 ：用于模拟虚拟环境中的物理规律。
2.1.3 用户接口
用户接口是沉浸式虚拟现实系统的第三个组成部 分,主要包括 ：
(1)控制器 ：用于控制用户的动作和行为。
(2)头戴式设备 ：用于呈现虚拟环境。
(3)手套和鞋子 ：用于模拟用户在虚拟环境中的真 实感觉。
2.2 工作原理
沉浸式虚拟现实系统的工作原理是通过虚拟现实技 术将用户置身于由计算机生成的虚拟环境中,使用户能 够与虚拟环境进行互动和沟通(如图 1 所示)。其工作 流程如下 ：
(1)用户戴上头显设备 ：用户戴上头显设备后, 设 备开始实时跟踪用户头部的运动,并将虚拟环境的图像 和声音投射到显示屏和耳机中。
(2)用户通过控制器进行操作和交互 ：用户可以通 过手柄、手套、手势识别设备等控制器进行移动、选 择、操作等各种动作,与虚拟环境进行互动和沟通。
(3)计算机和图形处理器实时处理虚拟环境的图像 和声音 ：计算机和图形处理器实时处理虚拟环境中的图 像和声音数据,将其转化为用户能够看到和听到的内容。
(4)传感器和跟踪系统实时跟踪用户的运动和动 作 ：传感器和跟踪系统实时跟踪用户的头部和身体运 动,将其转化为虚拟环境中的相应动作和效果,从而实 现用户与虚拟环境之间的互动和沟通。
(5)其他辅助设备提供支持 ：定位系统、声音处理 器、网络连接设备等其他辅助设备可以进一步提高系统 的稳定性、可靠性和用户体验,从而提高用户的沉浸感 和体验效果。
3 虚拟现实应用对沉浸式交互设计的技术性要求
沉浸式交互设计在虚拟现实技术中应用需要满足高 清晰度和低延迟的显示技术、精确的感应技术、高性 能的计算机和处理器以及合适的用户交互方式 [2]。这些 技术性要求将直接影响着用户在虚拟环境中的体验和参 与度。
3.1 高清晰度和低延迟的显示技术
在虚拟现实技术中,用户需要通过头戴式显示器或 立体显示器来获得沉浸式的感受。因此,高清晰度和低 延迟的显示技术对于用户体验至关重要。显示器的分辨 率必须高,以便用户能够看到清晰的图像和细节。此 外,延迟也必须尽量低,以确保用户的动作在虚拟环境 中得到及时反应。
3.2 精确的感应技术
沉浸式交互需要精确的感应技术来捕捉用户的动作 和位置。这些技术可以包括惯性导航系统、激光跟踪器、 摄像头等,同时也需要快速响应并准确捕捉用户的动 作,以确保用户在虚拟环境中的体验更加真实和自然。
3.3 高性能的计算机和处理器
虚拟现实技术需要大量的计算和处理能力,因此需要高性能的计算机和处理器。这些设备需要快速处理虚 拟环境中的图像、音频和动画等数据,以便让用户获得 更加真实、流畅的体验。
3.4 合适的用户交互方式
在沉浸式交互中,用户需要与虚拟环境进行交互, 这需要合适的用户交互方式。例如,手柄、手套、声音 识别、眼球追踪等。这些交互方式必须能够方便地使 用,并且能够适应用户的需求,以提高用户的体验和参 与度,如表 2 所示。
4 沉浸式交互设计在虚拟现实游戏中的应用
《VR 动物园》是一款基于虚拟现实技术开发的游 戏,玩家可以在游戏中体验真实的动物园环境,与各种 动物进行互动。游戏中使用的虚拟现实技术可以让玩家 身临其境地感受到游戏中的动物和自然环境,增加了游 戏的沉浸感。
4.1 虚拟环境设计
《VR 动物园》中,玩家可以身临其境地感受动物园 的氛围,看到各种不同的动物和植物,甚至可以感受到 风、雨、雪等自然现象。这种设计让玩家感觉自己置身 于真实的动物园中,提升了游戏的沉浸感。
4.2 动物交互方式
在游戏中,玩家可以使用手柄或手套等设备和动物 进行互动。例如,投食和动物玩耍等操作,通过虚拟现 实技术呈现出动物的真实动作和声音。这种设计让玩家 感觉自己和真实的动物进行互动,增加游戏的乐趣。
4.3 景深效果
《VR 动物园》中应用了虚拟现实技术,呈现出了真 实的景深效果。玩家可以感受到游戏中物体的距离和深 度,增加游戏的真实感和沉浸度。例如,当玩家来到鲸 鱼池边,可以感受到鲸鱼离自己很近,可以清晰地看到 鲸鱼的细节,这种体验让玩家感到非常真实。
4.4 交互效果
在《VR 动物园》中的沉浸式交互设计可以让玩家 更加方便地与游戏中的物体进行交互。玩家可以通过手 柄进行拍照、投食等操作,增加了游戏的多样性和趣味 性。通过这种操作方式,玩家可以更加自由地探索动物 园,增加了游戏的可玩性。
4.5 全息投影
虚拟现实技术可以呈现出全息投影效果,《VR 动物 园》中当玩家观看海豚表演时,可以看到海豚的全息投 影和真实表演一样,这种体验让玩家感到非常震撼。全 息投影技术让玩家身临其境地感受游戏场景,增强游戏 的沉浸感。沉浸式交互虚拟技术在《VR 动物园》中得 到了深入的应用,不仅为游戏带来了更加丰富多彩的效 果和视觉体验,同时也为观众提供了更加立体、真实的 感官体验,让整个游戏更加真实、有趣,增加了玩家的 参与度和体验感。
5.结语
伴随着虚拟现实技术的发展,其应用范围越来越广 泛,人们也越来越喜欢这种多感官、强交互的沉浸式体 验。沉浸式交互设计在虚拟现实技术中的应用是一个复 杂而又充满挑战性的工作,在进行沉浸式交互设计时需 要根据不同项目进行具体分析和研究,从而制定出合理 有效的方案和解决方法。
参考文献
[1] 郭诗雅.“互联网+”视域下虚拟现实(VR)技术的交互设计 及应用[J].中国新通信,2022.24(19):61-63.
[2] 张敬.沉浸式(体验)交互设计策略在教育游戏中的应用研究 [J].科技与创新,2021(6):169-170+173.
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