涉及人体交互的虚拟现实技术的技术脉络

陈新宇

【摘要】人机交互是指人机之间互相施加影响，交换信息的方式，是联系人和机器之间的桥梁和纽带。狭义上的人机交互主要是指人和计算机的信息交换。早期人们主要关注机器硬件设备性能的提高，从而忽略了人机交互的重要性。随着晶体管的发明和计算机、网络等技术的逐渐成熟，尤其是计算机软件技术的发展，使得人们越来越意识到人机交互设计的重要性。随着计算机硬件、软件技术的发展以及人类对各种机器需求的多层次、多方位化，传统的一维、二维人机交互方式将逐渐被淘汰掉，新技术的出现必将导致崭新的、更加自然和谐的人机交互方式和人机界面的出现。

【关键词】人机交互;虚拟现实;信号;视觉;显示;控制

一、概述

目前对虚拟现实技术尚无严格的界定，但可以这样来概括它的技术内容：VR技术利用计算机和电子技术产生逼真的视、听、触、力等三维感觉环境，形成一种虚拟世界。通过专门的交互装置（特制的眼镜、头盔、手套或环境中的传感器等），用户可根据自身的感觉，使用人的自然技能对虚拟世界中的客体进行考察或操作，参与其中的事件，并使参与者“沉浸”于模拟环境中，从根本上改变人机之间的隔阂。这种技术提供了一种全新的人机交互方式和概念，即包括视觉、听觉、触觉等多维的自然交互手段。虚拟交互人机界面成为未来人机界面发展的一个主要趋势。

二、人机交互的虚拟现实技术脉络

（一）头部追踪交互

1.技术实现

头戴式显示装置（Head Mounted Display，HMD），是一种佩戴在头部、将微缩图像直接投射于视网膜上，进而于观看者眼中呈现大屏幕图像的装置。它形如眼镜，其工作原理，就是通过一组光学系统放大超微显示元件上的图像。作为一种新型的便携式显示器，HMD将视觉效果和使用便捷性进行了很好的结合，除了用于休闲娱乐的影视观赏、游戏之外，在工业、医学、军事等领域也有一定的应用。

2.专利申请量趋势

图1是头部轨迹输入装置在虚拟现实中的应用的在国内近10年的专利申请量。可以看到专利申请量从2009年开始有少量申请，并且逐年递增，在近几年由于虚拟现实技术处于风口浪尖，各大科技公司以及高校都争相研究，成为热门的研究风口，因此，在2015—2016年之间，该领域的申请量达到指数级的增长。其对应的CPC分类号为G06F3/012（头部轨迹输入装置），在该定义范围内，头部轨迹被解释为包括脸部检测和轨迹。

（二）视觉交互

1.方案特点

视线追踪/眼动追踪对于用户行为理解和高效人机交互具有重要意义。人类可感知信息中超过80%的部分由人眼接收，而其中超过90%的部分由视觉系统处理。因此，视线是反映人与外界交互过程的重要线索。目前的解决方法大多基于主动光源和红外摄像，因此需要额外的硬件，并且对使用环境要求较高。

2.专利申请量趋势

图1是视觉轨迹输入装置在虚拟现实中的应用的在国内近10年的专利申请量。可以看到专利申请量从2009年国内已经有一定的申请，起步比头戴虚拟装备要早，并且逐年递增，在近几年也是逐年呈线性增长，表明国内对视觉交互技术的研究近10年从未间断，一直保持着不断的研究投入和产出。其对应的CPC分类号为G06F3/013（视觉轨迹输入装置），在该定义范围内，视觉轨迹被不仅包括眼睛轨迹，还包括视线轨迹。

（三）数据手套交互

1.方案特点

数据手套是虚拟现实系统的重要组成部分，是一种通用的人机接口，其直接目的在于实时获取人手的动作姿态，以便在虚拟环境中再现人手动作，达到理想的人机交互目的。

2.專利申请量趋势

图1是手戴的输入/输出装置，例如数据手套在虚拟现实中的应用的在国内近10年的专利申请量。可以看到专利申请量从2009年国内有少量申请，并且申请量虽然逐年递增，但是总量依旧不大，并且在2012年申请量还有所下降，随后在2015—2016年间申请量有较大增加。其对应的CPC分类号为G06F3/014（数据手套），在该定义范围内，同样包括手戴键盘。

（四）基于神经中枢系统的交互

1.方案特点

在康复领域内的人机交互系统里，实现人机交互的信息源多为人体生物信号。寻找稳定完备的信息源应用到人机交互系统中是当今的热点和难点。到目前为止已经出现了许多不同控制信号源的选择和尝试。例如：肌电信号（Electromyography，EMG）、脑电信号（Electroencephalography，EEG）、声音信息源、延伸生理本体感觉信息源、肢体肌肉周径变化信息源、肢体残端再造指控制信息源、肢体机械运动信息源、肌腱信息源、脑磁信息源等。图1是基于神经中枢系统的交互，例如通过脑电信号在虚拟现实中的应用的在国内近10年的专利申请量。

三、结语

从行业发展趋势来看，虚拟现实技术目前处于高速发展的阶段，大量国际大型企业涉足该领域，印证了该领域的巨大发展潜力。通过分析专利活动主体的类型，可以看到企业型专利活动主体一直主导着虚拟现实领域的发展，中国的主体类型构成明显异于其他国家，以院校型主体为主，说明在中国虚拟现实技术主要处于研究型。当然，专利技术的集中性研发也会使我国主体相较于他国主体更为专精和专业，因此在诸如图像信息处理和数据识别技术等特定的细分领域，更容易取得高新成果，形成我国的研究特色。