RayHand 导航：一种基于手和视线射线之间相对位置的虚拟导航方法

文献标题

RayHand Navigation：基于手与视线射线相对位置的虚拟导航方法研究

文献信息

• 主题领域: 人机交互、虚拟现实（VR）导航
• 关键词: 虚拟现实, 导航, 视线射线, 手部交互, 理解用户体验, 学习效果
• 出版会议: CHI '24
• 出版年份: 2024

研究背景与问题

背景

虚拟现实导航已经被研究了数十年，其主要任务是控制旅行速度和方向。常用的导航方法分为行走、操舵、选择和操作导航，其中操舵技术提供了丰富的导航体验并高效到达目的地。然而，许多现有方法仅使用单一输入模式（如视线、手部或身体躯干），各自有以下局限性：

• 视线导航: 存在“密达斯触碰”问题（即仅通过眼球注视触发不必要动作）。
• 手部导航: 通常需要额外硬件支持速度控制，并可能干扰手部物体操作。
• 躯干导航: 需要额外的追踪设备，并导致身体的物理疲劳。

问题

现有导航技术要么无法很好地解耦用户的“环顾”和“移动”行为，要么在用户体验、可用性和学习效用等方面存在局限。该研究试图解决这些问题，并回答是否可以通过结合视线和手部交互设计更优的导航方法。

研究动机

在解决视线与手部交互问题的基础上，设计一种新颖的虚拟现实导航技术，能够避免“密达斯触碰”，同时无需额外硬件支持，旨在提供更自然且低体力消耗的用户体验。研究同时评估该方法与现有方案（如头部-手部导航和躯干倾斜导航）的优劣，并观察其学习效果。

解决方案

技术设计

提出了一种名为RayHand Navigation的导航技术，通过结合视线射线与手部交互，实现速度和方向的动态控制。主要特点包括：

1. 视线射线的初始化方向：用户可通过视线快速标记导航的起始方向。
2. 基于手部交互的控制：导航启动后，用户使用手部相对于射线的运动控制导航速度和方向。
   • 手部前后移动控制速度（靠近头部减速，远离头部加速）。
   • 手部左右移动控制方向。
3. 解耦注视与导航：一旦导航启动，视线不再控制方向，允许用户自由环顾。

创新点

1. 结合视线和手部交互：首次同时利用视线与手势进行虚拟导航。
2. 可视化反馈：通过射线颜色变化直观标示状态变化（启动为绿色，非导航状态为紫色）。
3. 消除额外硬件需求：无需外置控制装置，仅通过手部自然动作完成导航。

实施步骤

1. 导航启动和停止：
   • 导航通过手部置于视线射线上触发（需持续0.3秒避免意外触发）。
   • 停止导航时，视线射线颜色恢复为紫色。
2. 速度控制：
   • 通过测量手与头部间距离，计算平移速度（最小速度设置为1.44m/s，最大速度为6m/s）。
3. 方向控制：
   • 根据手部相对射线横向偏移，调整视角旋转方向。
4. 实验设计：
   • 比较RayHand Navigation与头-手（HH）导航和躯干倾斜（TL）导航。

研究成果

实验结果

• 用户体验:
  • RayHand和HH导航优于TL导航（在可用性、任务负载、心理需求和用户体验质量上评分更高）。
  • RayHand导航支持较高的愉悦质量，尤其在小交互空间内更加实用。
• 导航性能:
  • 头-手导航（HH）在方向控制上更精准，路径更短。
  • RayHand导航需要较少身体移动，更易于维持在安全范围内。
• 学习效果:
  • 在两轮实验中，RayHand导航显示显著的学习效果，对用户心理负担和任务负载的影响逐渐减少。

优势

1. 低身体需求：RayHand导航让用户无需大规模身体旋转，减少物理疲劳。
2. 支持丰富体验：结合视线和手部的方案为用户提供更自然的导航方式，同时能够自由环视。
3. 局限性规避：消除了密达斯触碰问题，并能优雅处理速度与方向的独立控制。

局限性与未来方向

• 局限性:
  1. 当前的RayHand仍有视线射线遮挡视野等小问题。
  2. 现有实验还未纳入“体感步行”技术或更复杂导航场景的对比研究。
• 未来方向:
  1. 扩展至三维导航，支持垂直方向交互。
  2. 加入自适应速度控制，根据目标物距离动态调整导航速度。
  3. 探讨如何将RayHand用于更复杂的任务场景（如物体抓取和交互）。

总结来说，RayHand Navigation在视觉和手势交互的结合上展示了巨大的潜力，为虚拟现实导航技术提供了有益的创新方向。