关于虚拟现实、远程操作等合成环境中的远程临境感研究，本文主要内容关键词为：虚拟现实论文,操作论文,环境论文,临境感论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：B849 文献标识码：A 文章编号：1006-6020(2004)-01-0051-07
1 合成环境中的远程临境感
虚拟现实、远程操作、远程通信等系统环境一般称为合成环境。虚拟现实系统是用三维立体视觉、头盔式显示器、身体跟踪、立体音响和数据手套等技术模拟现实世界，用户与由此产生的虚拟环境进行自然交互。远程操作系统由远地位置系统（如远程操作仪和摄像机等传感装置）、通信系统（光缆、电缆或无线电传播）和本地位置系统（类似于虚拟现实中使用的各种设备）组成。3个子系统的协调工作，使用户可在本地位置自如地操纵远地位置的操作仪工作。远程通信如远程会议、远程教育等实际上是用户在不同的地点通过上述技术实现的。合成环境的特点是用户将以计算机为媒介与物理上与他分离的环境进行交互。有许多工作和活动若要让人直接进行将是不可能的、危险的或极端困难的，例如太空和深海作业，核、有毒、高温或高寒环境中的工作，军队作战与警察防暴或救生，远程会议和远程教育等。因此，合成环境对于上述工作和活动或它们的模拟训练具有极其重要的价值[1,2]。
合成环境的设计目的是要把用户的知觉、认知和心理运动能力投射到与用户分离的远距、危险或模拟的环境中，致使用户能够成功、自然、无危险地操纵远端环境。而用户将自我知觉移入以计算机为媒介的环境中时出现的一种体验是合成环境中出现的独特的心理现象。依据所用的特殊合成技术的特殊应用，这种体验有多种称呼：临境感、合成临境感、虚拟临境感、社会临境感、自我临境感和远程临境感。然而，正如Hendrix和Barfield指出的，虚拟临境感（感到存在于计算机生成的环境中）与远程临境感（感到存在于远地但实际的环境中）在心理学上是不可分的[3]。因此，应该按照以用户为中心的观点即根据用户的体验而不是根据机器的形式来探讨这种心理现象。当前的倾向是以远程临境感作为一般的术语，因为它比临境感更有区分性，比虚拟临境感、社会临境感或自我临境感更灵活。“远程”与“临境感”的复合结构还隐含了投射到远端环境中的观点，而不管远端是物理的（如在远程操作或远程通信中）还是图形的（如在虚拟现实中）。
当前对于远程临境感的定义不尽相同，大致可以分成简单的、控制论的和经验的3类。以简单的定义，远程临境感指用户在以计算机为媒介的环境中的操作能力；以控制论的定义，远程临境感指合成环境的人机界面的质量指标，如Smith和Smith(1989)提出，当“人－计算机／人－遥控机器人界面的操作特征与人的行为和生理的工作能力和限度兼容时”就出现了远程临境感；以经验的定义，远程临境感是用户在物理上感到存在于以计算机为媒介的环境内的心理状态。尽管远程临境感的定义有所不同，但当前大量关于远程临境感的文献都阐述了这样的思想：合成环境中用户的体验应该尽可能与在真实的物理环境中完成任务相似，这样可达到最好的绩效。因此，探讨远程临境感的形成条件、影响因素和实现技术是极为有意义的。
2 有关远程临境感的人因素设计观点
2.1 拟人化的设计观点
远程临境的概念首先是由使用远程操作仪时从本地控制室移到遥控区域的感觉引发出来的。一些早期的远程操作仪研发者认为，向用户是供形状与人的手臂相似的并且由此而使输出运动容易映射到控制器的输入上的操作仪可达到最好的绩效。这种观点强调了形态上的拟人化。然而，以后的研究结果表明，在远程操作期间，形态上的拟人化不是特别重要的，而空间对应性则是重要的。例如，某些主控装置非常小，与人的手臂极不相似，但它们与从控装置的空间对应性非常好，就很容易操作。
随着对合成环境中的远程临境现象的深入研究，同时由于计算机自动化、通信和虚拟现实等技术的飞速发展，当前对合成环境的设计重新开始强调拟人化的设计，但这是一种新型的功能拟人化的设计观点：计算机能够向用户提供逼真的丰富的视觉、听觉、触觉、力觉、运动觉等信息，同时又能够准确地识别人的言语、手势、体势、表情和运动。一些研究者对这种功能拟人化的设计观点作了更深刻的阐述。例如，Sheridan认为，影响远程临境体验强度的因素是：呈现给操纵员的感觉信息的逼真性和丰富性、控制远地环境中的传感器的灵活性和影响远地环境的能力[4]。Steuer认为，决定远程临境感的因素是：生动性，即远地场景显示的感觉丰富性；和交互性，即用户可以修改远地环境的程度[5]。Zeltzer认为，图形模拟的重要特性是自主、交互和临境。自主指虚拟世界能够模拟物理世界中可能的交互的程度；交互指合成环境对用户对实时输入作出反应的能力；临境反映了显示和控制的数量和逼真度，它还涉及机器的输入／输出通道和人用户的输入／输出通道的匹配程度[6]。Witmer和Singer认为，影响远程临境感发生率的因素是：控制因素、感觉因素、分散注意因素、现实因素。控制因素与用户对合成环境的控制程度有关，以及与控制输入引起合成环境变化的灵敏度和直观度有关；感觉因素与可获得信息的丰富性与多通道性和一致性有关，以及与所显示信息的直观度有关；分散注意因素与沉浸度有关，沉浸度指用户的感觉受合成环境显示控制的程度和用户集中注意于合成环境的能力；现实因素与合成环境和现实世界的匹配度及合成环境对用户的意义性有关[7]。Murlbach,Bocker和Prussog认为，远程临境感对视频会议期间的通讯具有有益的影响，这是通过空间临境效应和通讯临境效应而产生的，空间临境效应指传递远地位置的空间线索的程度；通讯临境效应指传递双向交互信号（言语和非言语的）的程度[8]。概括起来，这就是说，合成环境的设计应该使用户能如同在真实环境中那样，以多感觉通道和多效应通道平行、协作地与计算机系统进行双向交互，并且这种交互是丰富、自然和高效的。
2.1 信息化的设计观点
由于制造可以诱发充分的远程临境体验的合成环境在成本上将会是非常昂贵的，并且根据当前的工艺水平，要真正实现这样的系统在技术上也是非常困难或者甚至是不可能的，为此，提出了信息化的设计观点。这种观点主要针对合成环境中的显示部分的设计而提出来的，但是它对于合成环境中的控制部分的设计也同样具有意义。简单地说，信息化的设计观点指根据用户的任务，只显示与任务相关的有用信息，而不是充分再造远地场景。按照这一观点，在合成环境的设计中，必须确定显示的目的，然后仅仅提供完成任务所需要的信息，从而所设计的显示应满足用户成功地完成任务所涉及的感觉运动需求。从某种意义上说，对于用户直接操纵的控制装置的设计不模仿人的手臂形状，而是注重于它与远地从控装置的空间对应性，就是一种对控制装置的信息化设计。信息化的设计是一种高成本－效率比的提高合成环境的远程临境感的做法。
2.3 注意结构模型的设计观点
Draper以有限资源的注意结构理论为基础，提出了关于合成环境的注意模型[9]：在以计算机为媒介的环境中，远地刺激通过显示器呈现在本地环境中，同时，本地环境中也存在刺激。在远地环境与本地环境中，刺激可以与手头作业相关，也可以与手头作业无关。与作业无关的刺激称为干扰子。因此，呈现给人用户进行加工的刺激有4类：与远地任务相关的刺激，远地干扰子，与本地任务相关的刺激，以及本地干扰子。
从注意模型的角度，远程临境可解释为把注意资源投入到以计算机为媒介的环境所引起的状态。用户投入显示器呈现的刺激的注意资源越多，就越能认同以计算机为媒介的环境，从而远程临境感越强。反之，投入本地环境中的刺激的注意资源越多，就越能认同本地环境，从而远程临境感越弱。
假设有一组n个注意资源库
，每个元素代表一个知觉、中枢加工或反应库的可用资源。第一组n个资源分配
代表每个库i用于加工来自以计算机为媒介的环境中与作业相关刺激的资源；第二组资源分配
代表用于加工来自以计算机为媒介环境中干扰子的资源；第三组注意分配
代表用于加工来自本地环境中与作业相关刺激的资源；第四组注意分配
代表用于加工本地干扰子的资源。这样，远程临境感、工作负荷和主观工作负荷都可表示为用于以某类刺激的加工资源与总加工资源的比率：
以上公式表明，远程临境感是加工来自以计算机为媒介的环境中的刺激的相对资源消耗的加权总和。作业绩效是为加工与作业相关信息所耗费的资源的加权总和。由于总资源有限，因此，若将资源分配给与任务相关的本地环境的刺激，可提高绩效，但减少远程临境感；若将对资源分配给自以计算机为媒介的环境中的干扰子，可提高远程临境感，但对绩效产生负影响。工作负荷是所消耗的加工资源的总和，工作负荷包含用于本地环境的资源，它对工作负荷起作用，但有损于远程临境感；由于不同的资源库对主观工作负荷的作用可不同，因此，主观工作负荷以每个库的工作负荷与描述该库相对影响的系数
的乘积的总和获得。关于合成环境的注意模型既揭示了远程临境感与作业绩效和工作负荷的关系，也揭示了应该尽可能减少干扰子来提高用户在合成环境中的工作效率和减少他们的工作负荷。
3 实现远程临境感的某些重要技术
与在真实世界中的人机交互相比，在合成环境的人机交互中用户碰到的主要问题是：(1)视场有限和缺乏三维知觉的信息，(2)缺乏触摸信息，而导致与本体感受反馈的错误匹配，(3)远程操作、远程通信或虚拟现实中的延时问题[10]。这些局限性严重地影响用户在合成环境中的远程临境体验。当前已发展了许多基于心理学、生理学和人体运动学原理的技术来解决这些问题。
3.1 三维视觉
立体视觉显示是在合成环境中诱发远程临境感的关键设备。为了产生深度知觉，当前应用最多的是立体镜技术。立体镜是根据双眼立体视觉的形成机理制造的。在远程操作或远程通信中可用2台摄像机按双眼观察的方法摄取场景，在虚拟现实中则是由计算机按立体视觉的方式生成左右眼动画，然后通过立体镜，将具有合适的辐合和视差的左右两幅图像分别送到人的左、右眼，经人的大脑处理后，使人产生深度知觉[11]。立体镜有分路和分时两种呈现图像的方法。分路法是在屏幕上同时呈现两幅图像，但左眼看左图像，右眼看右图像。分时法是两幅图像分时交替呈现在同一屏幕上，假设显示器每秒为60帧，那么奇数帧显示左边图像，偶数帧显示右边图像，每次只有一只眼可看到与它对应的图像，当图像的呈现速率超过闪光融合频率时，人就能感知到稳定的立体图像[12]。
另一种产生深度知觉的技术是利用运动视差。若观察者在运动中，那么，物体在他的视网膜上的投影将经历一系列连续的转换，这种转换对于运动模式和环境都是独特的。这时深度差异是由运动视差决定的。运动视差指两物体离运动观察点的距离不同时，视角将以不同的速率变化。观察者的运动是由自身引起的，称为主动运动视差(movement parallax)，观察者的运动是由外界引起的，称为被动运动视差(motion parallax)。主动运动视差为绝对距离提供了潜在的信息，因为视网膜上视差的变化和观察者的运动是紧密且明确互锁的。把主动运动视差模式应用到平面显示上可实现有深度的运动图像。使用这种方式时必须实时的测试观察者的头部位置。是选用立体镜还是选用主动运动视差来产生立体视觉主要取决于任务。立体镜适用于静态情境，此时观察者不会改变视点，而且立体镜的图像可由多个人同时观察。主动运动视差的方法适用于观察者必须改变视点来观察物体的任务，并且它内在地限于个人。
当前更先进的技术是具有头跟踪器的立体头盔显示器，它将引起更高的远程临近感。头盔显示器实际上是将显示屏微型化后移至用户眼前，当它与头跟踪器耦合后，它显示的图像能跟随用户头部转动而变化，从而能提供360°的全景视觉，可它的瞬时视场仍是有限的，约在40°～60°之间。
3.2 动手性和操作反馈
人操纵物理世界时，最经常最自然的方式是在视觉引导下的手操作，如用手按电灯开关或用手拍球。若能直接把手的技能和动手的自然性用于合成环境，用户能够用手直接操纵以计算机为媒介的环境中的物体，同时获得操作活动的视觉、触觉、运动觉和力觉等的反馈，那么，他更能产生远程临境感。当前实现人在合成环境中自然的动手性的技术是数据手套[13]。
数据手套的第一个作用是捕获手的运动传递给计算机，使计算机能识别用户的手势。手势是通过手指、手掌、手腕等手关节的伸、屈、内收、外展、旋转等运动和手在空间中的位置实现的，因此，数据手套的基本原理是通过各种传感器技术测量各个手关节屈曲、外展等运动。早期采用的是应变仪技术，即在手套上沿着每个手指背侧有一塑料条，塑料条上涂着导电材料，当手指伸直时，通过导电材料的微电流是稳定的，当手指弯曲时，计算机能测量导电材料的电阻变化，进而推导出手指总弯曲程度。以后，有的数据手套采用纤维光学传感器。对于这种手套，在每个手指的指关节处有光导纤维环，环的一端是发光二极管，另一端是光电传感器，光纤上有一些小切口，当用户弯曲手指时，光通过这些小切口逸出光纤，这样达到光电传感器的光量将减少，以这样的方式，计算机可测算出手指的弯曲程度。这种手套存在的问题是，如果用户的手太大或太小，环就不能非常好地对应于指关节位置，从而就不能准确地检测手势。精度更高的数据手套在与不同手势运动有关的手部位放置了多达22个压敏电阻传感器，以精确地测量手指和手腕的屈曲和外展、手掌拱起的运动，并且这种传感器极端地细，用户使用时几乎觉察不到阻力，而且传感器表现出对它们在指关节上的位置和对关节的曲率半径不敏感，因此使用很方便。一般数据手套都安装了电磁和红外跟踪器，以测量手在3D空间中的位置及朝向。与此同时，计算机按照实际手的位置和动作在屏幕上显示虚拟手，提供虚拟手与屏幕显示物体的交互的视觉反馈，以此方式实现用户对合成环境中的物体的操纵。
数据手套的第二个作用是向用户提供操作过程的触摸、运动和力的感觉反馈。有一种触觉反馈技术称为电触觉，这是在数据手套内装有电极，这些电极紧贴着手的皮肤，它们按计算机预编程的强度和频率模式发放电脉冲刺激，从而引发神经纤维的动作电流，传至大脑中枢，并与虚拟手动作画面的视觉反馈信息整合，而使用户感知到合成环境中的物体的表纹和粗糙度[14]。触觉反馈的另一种方式是在数据手套内安装小气囊，当用户用虚拟手拿起某个物体时，气囊会相应地膨胀成某种形状，使用户感到拿着该物体，并感知到物体的形状和质地[15]。力反馈数据手套是由多个压敏电阻传感器、马达和外骨骼构架(exoskeleton)组成的机械系统。在正常运动时，系统不会阻碍手的活动，传感器将检测手指、手腕的屈－伸、内收－外展等运动，以控制虚拟手的动作。用户通过这样的手套操纵虚拟手抓住虚拟物体，比如立方体。如果立方体是坚硬的，通过启动马达，外骨骼构架将使用户无法紧握它；如果立方体是海棉类材料制成，外骨骼构架可使用户的手指紧紧地包住它，但不能握紧拳头，因为受到挤压的立方体仍占有一定的空间；如果用户试图把立方体抬高，外骨骼构架将限制用户手的抬起，它所提供的阻力刚好使用户感觉到相应的重量。当前已有一些新技术如人工智能、模糊设置、神经网络开始用于识别手势的运动模式。
3.3 延时问题
在合成环境中存在的一个重要问题是延时，即用户所接收的信息或做出的控制存在时间滞后。引起延时的因素很多，例如，在远程环境中，延时可由远程信号传递引起，在虚拟现实中延时可由复杂的立体动面生成引起。对于非常短的延时，可能只是给用户操作带来了不方便，而严重的延时将会破坏系统的稳定性而是系统不可操作。提高机器运行速度、信号带宽和信号传递速度是解决延时的重要方法。但在许多地方，延时可能是无法完全消除的。如对于空间或星球探索，不可去除的最小延时是由光速引起的。当前人们正试图通过利用预测算法和虚拟现实技术来减少延时效应［16～18］。例如，对于具有延时的远程操作，可以在显示屏上呈现所摄取的远地场景和从机械手工作的视频图像，同时叠加上计算机生成的虚拟机械手。操纵员根据显示信息操纵主控制装置，根据主控制装置的输入，计算机一方面实时地运行预测模型对虚拟机械手发布位置指令，一方面通过通信线路传递给远地环境中的机械手。如果预测模型能准确地计算延时，那么，虚拟机械手的位置与该时刻实际机械手的位置将会是一致的，这样就可消除远程操作时的延时效应[19]。
4 有关远程临境感的将来研究
当前远程临境的术语正被广泛地应用，人们普遍地赞同把实现远程临境感作为合成环境设计的目标。然而，要使远程临境感真正对在合成环境中的任务完成有贡献，还有许多问题需加以解决。第一，要发展客观的远程临境感强度的测量方法。远程临境感是用户在合成环境这种特殊环境中的一种心理体验。当前已有研究者编制了度量远程临境感强度的问卷，然而，自我报告易使被试做出符合实验者意图的报告而产生结果的可靠性问题。有的研究者建议，除了自我报告外还可测量用户在合成环境中与在真实环境中的动作、反应的一致性，以及测量用户与合成环境交互时他对现实世界的反应失败。也有研究者提出，能否用脑电图、心率变异等客观指标来测量远程临境。用客观的方法对心理现象进行研究是非常重要的，这对于远程临境感的研究也同样如此。当前这方面的研究进行得极少，难度很大，因此，它是对远程临境感研究的一种挑战。第二，应测量远程临境与工作绩效的联系强度。一般假设，远程临境感能提高工作绩效。然而，按照前文中的简单定义，远程临境感指用户在以计算机为媒介的环境中的操作能力，即用户的操作绩效指示了远程临境感的强度；按照控制论的定义，它指合成环境中的人机界面的质量指标。这就是说，远程临境感的强度是由人机界面的质量决定的，而工作绩效同样与人机界面的质量有关。这样，远程临境感与工作绩效的因果关系似乎是不明确的。因此，用实验的方法测量它们的联系强度是对远程临境感研究的又一挑战。第三，应确认与远程临境感有关的适宜的合成环境的构型。按照注意结构模型的设计观点，有些因素（即远地环境中的干扰子）可提高远程临境感，但又会降低工作绩效。这就意味着建立适宜的合成环境的构型是非常重要的。当前许多建造合成环境的技术正在发展中，因此应该搞清楚在应用各种新技术时适宜的合成环境的构型是什么，注意由它们带来的远程临境感引起对工作绩效的负效应。这也是对于远程临境感将来应进行的深入研究。
标签：数据手套论文; 用户研究论文; 虚拟现实系统论文; 虚拟技术论文; 图像融合论文; 远程工作论文; 信息加工论文; 负荷预测论文; 电脑论文;