在路上凝视：扩展现实中物理移动期间空间参考框架对视觉目标获取的影响

文献标题

Gaze on the Go: Effect of Spatial Reference Frame on Visual Target Acquisition During Physical Locomotion in Extended Reality

文献信息

• 主题领域: 人机交互（HCI）、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）
• 关键词: 空间用户界面（Spatial UI）、参考框架（Reference Frame）、UI放置、物理运动、扩展现实（Extended Reality）、凝视交互（Gaze Interaction）、眼动跟踪（Eye Tracking）

研究背景与问题

• 作者发现了哪些问题或挑战？
  在头戴显示设备（HMD）中进行的空间交互需要用户快速而精确地获取视觉目标。然而，当用户处于行走或慢跑等运动状态时，其目标获取时间和追踪精度会受到运动的显著影响。

• 为什么这个问题很重要？
  随着头戴显示设备被越来越多地应用于动态环境（例如AR技术员操作或VR游戏中的目标选择），了解人在运动中凝视交互的表现对于提升用户体验、改进UI设计具有实际意义。

• 研究动机与相关工作
  目标获取和对固定或移动目标的凝视表现已有研究，但这些研究大多集中于静止状态或简单的头部固定参考框架（Head Frame）和环境固定参考框架（World Frame）。本研究首次通过实验细致比较了不同参考框架（包括新的路径参考框架Path）的视觉目标获取表现。

解决方案

• 作者提出了哪些方法或解决方案？
  本研究设计了四种空间参考框架：

  1. Head：目标固定于头部，可随头的翻译和旋转变化。
  2. HeadDelay：类似于Head，但增加了延迟以模拟惯性。
  3. Path（新提出的框架）：目标相对路径保持稳定，不受头部旋转影响。
  4. World：目标固定于环境，不随用户的位置变化。

• 该解决方案的创新之处是什么？
  创新之处在于提出Path参考框架，同时首次研究HeadDelay框架在移动环境中的可行性，并通过VR实验对比了四种参考框架在目标追踪中的时间和精度表现。

• 实施步骤是什么？使用了哪些关键技术？

  1. 使用HTC Vive Pro Eye头显和Tobii眼动追踪设备，通过Unity平台构建虚拟测试场景。
  2. 在实验中设计了用户行走与慢跑状态，且目标固定在不同的参考框架中。
  3. 测量用户的目标获取时间、追踪凝视精度（precision）、以及追踪凝视真实性（trueness），同时收集用户的主观评价。
  4. 数据分析方法包括4因子重复测量ANOVA和非参数检验。

研究成果

• 取得了哪些具体成果？

  1. 目标获取时间（Acquisition Time）：Path和World参考框架在移动状态下表现优越，获取时间显著短于Head参考框架。
  2. 凝视追踪精度（Precision）：Path和World框架在不同距离和运动速度下保持了更高的精度，而Head和HeadDelay框架的精度较低。
  3. 凝视追踪真实性（Trueness）：参考框架对真实性的影响较为复杂，但Head框架通常表现较差。
  4. 主观评价：用户认为Path和World参考框架在凝视和运动任务中更易于操作。

• 与现有解决方案相比，它有哪些优势？
  Path框架结合了Head框架的移动性和World框架的环境稳定性，在动态场景中表现尤为突出。HeadDelay框架在一定程度上弥补了Head直接定位的不足。

• 实验或评估结果是什么？

  • 高速度下，目标获取的难度增加；Path框架在目标获取时间上趋于稳定。
  • 运动状态下，Head参考框架的凝视精度降低更为明显。
  • 距离对追踪凝视精度影响较小，但近处目标易于通过Path框架保持。

• 局限性与未来方向

  • 局限性：
    • 研究主要基于虚拟现实环境，实际增强现实（AR）的复杂场景未被涵盖。
    • 线性和平坦的运动设计可能无法充分反映复杂使用场景。
  • 未来方向：
    • 在障碍物和自由运动路径上研究参考框架的效果。
    • 探索参考框架在复杂环境中（例如导航和多人协作应用）的适用性。
    • 针对视觉噪声增加，开发更多实时优化方案。

总结

本研究在运动状态下对用户在不同参考框架中的凝视目标获取和追踪能力进行了系统对比，证明Path和World框架在提升用户体验方面的潜力，提出了针对HMD设计的重要设计指导。