第2章 数字编创设备课外阅读材料文档格式.docx
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比常规的键盘体积小，便于携带或者穿戴。
缺点：
小键盘的大小不足以允许触摸式打字（或10个指头打字），所以用户必须用一个或两个指头，无法利用多年使用键盘养成的肌肉记忆。
（2）键数量少的键盘
◆基于电话的普通文本输入技术
优点：
精确而易学。
将a,b和c映射到数字按键2上，d,e和f映射到数字按键3上等等，用户使用想要的字母来按键，通过多次按键来区分字母。
效率非常低。
当映射到同一个键的两个字母需要顺序输入时，采用这种技术的速度可能特别慢。
例如，按下“2”键三次可能解释为aaa，ab，ba或c。
为了使意义明确，系统强迫用户在使用同一个键输入另一个字母之前等一定的时间。
◆改进的T9文本输入系统
仅需要每个键敲击一次。
为了确定每次按键是哪个字母，系统使用一个字典，并试图将一系列按键匹配成已知的单词。
在系统对当前的单词有一个猜测时，单词被显示，用户能够接受单词或继续打字。
输入名字、稀有单词或非单词很困难
（3）和弦键盘（chordkeyboard，用户同时按下多个键来产生一些符号，被按下的按键集合一起被称为一个和弦）
用户只用一只手进行符号输入，可用在移动计算和可穿戴计算环境下
性能、错误数和用户喜好程度都不高
（4）掐捏键盘（PinchKeyboard）
它使用掐捏手套（PinchGlove），用套在每个指尖的可传导的布料做成的轻量手套，在两个或多个手指接触时产生感应。
手套穿戴舒适，并且由于它们开/关自然，对用户的动作没有二义性。
并使用了标准的QWERTY键盘布局，以便用户能够利用已有的打字技能。
容易学习，令人满意，并且用起来舒适。
由于受跟踪器的精度限制，需要大范围的运动来改变行或者选择内侧键，降低了操作效率。
打字速度很慢，性能较差，需要大量的训练。
（4）软键盘（用户按虚拟键来代替物理键输入符号）
容易为不同布局或字符集重新配置，以及它们不需要一个专门的输入设备。
单点输入的限制（一次只有一个手指或一支笔），以及缺少主动和被动触觉反馈。
1.1.22D鼠标和轨迹球
鼠标和轨迹球是相对设备，它们报告移动了多远而不是在哪儿。
和键盘一样，它们被广泛运用到很多不同的3D应用中，并且提供了将交互技术映射到应用任务的多种不同的选择。
但是，鼠标和轨迹球具有与键盘同样问题，它们不是为更加沉浸式的3D环境设计的。
由于鼠标需要放在一个2D平面上来实现定位功能，所以在这些显示器中很难使用。
而轨迹球可以一手拿着而用另一手操纵，所以可以用在沉浸式3D环境中，且它已经成功的引入到使用工作台显示器的3D界面中。
1.1.3基于笔的手写板
原理：
基于笔的手写板能够产生和鼠标同样类型的输入，另外笔或手写板本身可以有一些按键来生成离散事件，基于笔的写字板是绝对设备，这意味着设备所获得的笔的位置是和写字板表面相关的。
大的写字板由于太重，并不适合大部分完全沉浸式的视觉显示器，不过小型的写字板和PDA已经成功的集成到这种环境的3DUI中，大的基于笔的写字板可以用到那些用户可以坐着操作的3D应用中。
图2.1一个大的基于笔的LCD写字板，允许用户直接在屏幕上绘图
1.1.4操纵杆
操纵杆是传统桌面输入设备的另一个例子，并且作为计算机的外围设备有很久的历史了。
这种设备和鼠标、基于笔的手写板类似，它们都有一个手动的持续2D定位器和一组离散构件，比如按钮或其它开关。
特点：
操纵杆与鼠标之间有一个重要的区别。
使用鼠标时，当鼠标停止移动的时候指针也停止移动，而使用操纵杆，光标通常保持向操纵杆所指的方向移动。
为了停下光标，操纵杆的把柄必须转回中间位置，这种操纵杆通常称作等分操纵杆。
很多控制台视频游戏系统在游戏控制中使用不同的操纵杆。
另一种操纵杆是等轴操纵杆，它有一个大的弹性常量，这样它不会觉察到移动。
它的输出随着用户向装置施加的力来改变。
平移等轴设备通过按压来输入，而旋转等轴设备则通过扭动来输入。
这类设备的问题在于用户可能会由于必须提供压力来驱动它们而很快就感到疲惫。
图2.2P1500游戏控制器
1.1.56-DOF桌面输入设备
6-DOF输入设备是专为桌面3D交互而开发的。
手指轻微的推拉设备的盖就产生的x，y，和z方向的微小的偏差，从而在对应的3个坐标轴上动态的移动物体。
通过轻微的扭转和倾斜盖，就可以获得绕这3个轴的旋转运动。
它们并没有替代鼠标，而是和鼠标结合使用。
1.2跟踪设备
1.2.1运动跟踪器
运动跟踪器的关键特性包括它们的范围、延迟（从发生动作到生成数据之间的时间）、抖动（噪音或者不稳定性）和精度。
目前有很多不同的运动跟踪技术可以使用，包括
●磁性跟踪
磁性跟踪器使用发射设备来发射低频磁场。
一个小的传感器用作接收器，确定它相对磁场源的位置和方向。
这些跟踪器有各种有效范围，不过它们的工作半径通常为4到30英尺。
传输器空间内的任何铁磁性的或者传导性的（金属）物体都会干扰磁场，降低交互技术的精确度，使得很多交互技术，特别是基于手势的技术难以使用。
可以通过校准和过滤算法来排除干扰，不过这样做会增加启动时间和在线运算负荷。
图2.3AscensionMiniBird
●机械跟踪
机械跟踪器具有刚性结构，它将很多相互联接的机械连杆和机电转换器（如分压器或轴编码器）连接起来。
一端固定，另一端连接到被跟踪物体（通常是用户的头部或者手）上。
当被跟踪的物体运动时，连杆也跟着动，转换器进行测量以获得位置和方向信息。
悬臂式视觉显示器就使用这类的跟踪技术。
另外，很多固定式压力反馈设备是基于机械的，既是压力显示器又是跟踪器。
机械跟踪器非常精确，传输的延迟很短。
它们一般体积庞大，限制了用户的移动，难以使用基于物理的导航技术。
●声学跟踪
声学跟踪设备使用高频发声源发射声音，用麦克风接收。
发声源可以放在被跟踪对象上，而麦克风可以放在环境中（由外到里的方法），或者发声源放在环境中，而麦克风放在被跟踪的对象上（由里到外的方法）。
在发射器和接收器之间距离可以通过用超声波脉冲从源到目的所花费的时间乘以声速得到。
使用这个距离可以确定位置，使用更多的接收器，可以用三个点通过三角测量来判定方向。
图2.4声音跟踪器（像鼠标形状的设备产生声音信号，接收器可以因此判定位置和方向信息）
比较便宜而且轻便。
这类设备的范围有限，采样频率也低（光线跟踪、惯性跟踪的采样频率可以达到1KHz以上）。
另外，如果房间中有声音反射平面，它们的精确性将受到影响。
另一个缺点是外部的噪音，比如叮当声或者电话铃会明显干扰跟踪信号，显著降低精确度。
●惯性跟踪
惯性跟踪系统使用多种惯性的测量设备，比如角度回转仪和线性加速器。
这些设备提供派生的测量（即回转仪提供角速度，线性加速器提供线性加速度），所以必须将它们集成起来才能获得位置和方向信息。
InterSenseIS300
图2.5惯性跟踪设备。
惯性传感器放置在图中的立方体中
它们会由于传感器偏差、噪声、和漂移产生误差积累。
误差积累可能会因为线性加速器变得严重。
回转仪同样也有错误累积的问题，不过并不严重，并且有补偿的办法。
例如，惯性跟踪器通常用一个比重计和圆规测量来防止回转漂移的累积。
跟踪位置会对界面设计者在使用通用交互技术上有严重限制，而仅跟踪方向的系统可以用在VE中来跟踪站在一个位置而四处观看的用户的头部。
●光学跟踪
另一种对用户和物理对象的位置和方向跟踪的方法是通过测量反射光或发射光实现的。
这类跟踪器使用计算机视觉技术和光线传感器，如相机、红外线发射器或者侧效应二极管，它们能够沿着某个轴线产生和输入光的位置成比例的信号（就是2D置换测量）。
基于视觉的跟踪器的主要缺点是遮挡问题。
在很多情况下，相机不能获取被其它部分遮挡的用户身体那部分的信息。
比如，当手在某一个方位时很难获取所有手指的准确信息。
增加更多的相机和标志可以减少遮挡问题，但会增加跟踪算法的复杂性。
●混和跟踪
混和跟踪将多个跟踪技术放在一起来提高精确度，减少延迟，提供一个更好的全面3D交互体验。
一般说来，一项跟踪技术可以补偿其它技术的弱点。
构件越多越复杂。
不过，如果能够显著增加跟踪的精确性，增加一些复杂性是可以的。
1.2.2眼动跟踪
眼动跟踪器是完全被动式的输入设备，用来判定用户正在看哪里。
眼动跟踪技术主要是基于计算机视觉技术：
设备使用相机通过角膜反射光跟踪用户的瞳孔。
设备可以穿戴在身上或嵌入到一个计算机屏幕上，使得不会特别突出。
其它的眼动跟踪技术包括眼电描记法，在眼部周围放置电极测量皮肤的电压差，并在直接戴在眼睛上的隐形透镜上嵌入机械或者光学参照物。
眼动跟踪系统可以同时用来作为评估工具和与应用任务进行交互。
例如，这类设备可以在心理学试验中收集用户的眼部运动信息，获取应用的使用模式以帮助改善界面，或进行视觉检查任务中的训练。
同样也可以用作输入设备，如用户通过眼睛精确控制鼠标指针。
图2.6iView眼动跟踪仪
1.2.3数据手套
（1）弯曲感觉数据手套
这是一种完全被动的输入设备，用来检测用户的手形（静态的形状）和特定的手势（一系列的手形）。
例如，设备可以区分拳头、指点手形、和张开的手。
手套获得的原始数据常常是以测量的关节角度给出的，使用软件根据这些测量结果来判定手形和手势。
数据手套通常有5到22个传感器。
比如，有5个传感器的手套通常会测量每个手指的一个关节，而有18个传感器的手套可以测量每个手指至少2个关节，手指之间的外展，腕关节的扭曲和偏转以及其它。
能提供大量的DOF，使得它不但可以识别各种手势和手形，而且可以给3D应用提供用户手的表征。
用户不得不戴上这个设备，对于很大一部分人来说这类手套戴着确实很不舒服。
另外，弯曲感觉手套有时需要根据不同用户进行校准。
图2.7弯曲感觉数据手套
（2）压力手套
是一种判断用户是否将2个或多个指尖接触在一起的输入设备。
这类手套的每个指尖有一个导电材料，这样用户可以通过2个手指的捏压产生一个电路连接。
这类设备通常用来在物体选取，模式转换和其它一些技术中作抓取和捏压手势。
压力手套非常轻，和手持式输入设备相比能够降低用户的疲劳度。
它还同样提供双手交互。
使用这个设备从字面上可以产生上千种捏压组合，提供从输入设备到任务映射的很大的设计空间。
上千种捏压组合中只有少数是有用的、适合人类功效操作的。
另外，长期的使用会损坏布料，使得手套失去效用。
图2.8可穿戴的压力手套
1.33D鼠标
和正规2D鼠标相比，3D鼠标的最明显特征是用户是在3D空间里移动它时可以获取位置和/或方向信息，而不是仅在一个平板表面上移动设备。
因此，用户可以把它抓在手里，或在某些情况下，把它穿在身上。
此外，由于提供方向信息，确定设备的指向（设备的方向矢量）就很容易了，这是在很多基本3D交互技术中都会用到的功能。
由于它们的一般性，它们可以用到很多不同的交互技术里，在某种意义上说，它通常是在VE应用的3DUI中表达用户意图的基本方法。
1.3.1手持3D鼠标
可提供x、y、a、b、c六个自由度，并附有9个按钮。
它的外形设计充分考虑了工效学的原则，用户长时间操作不容易感到疲劳，用户只要轻轻搓动其上的盖帽（Cap）便可以进行对象的六自由度的操纵，此时所发送的是连续的交互信息。
松手后盖帽会自动恢复到初始位置。
三维鼠标的9个按钮可以发送离散的事件。
图2.9手持3D鼠标
1.3.2可穿戴3D鼠标
另一种设计3D鼠标的方法是穿在用户身上，而不是抓在手里。
例如，可以把它戴在用户手指上，将该设备作为人手的一个延伸。
图2.10显示的指环鼠标就是这种设备的一个示例。
它是一个小的，有两个按钮的指环设备，它使用超声波跟踪器，仅产生位置信息。
这种设备的问题是由于形状太小，限制了按钮的数量。
图2.10可穿戴3D鼠标
1.4特殊用途的输入设备
1.4.1塑形条
塑形条是一种柔韧的带状光纤曲率传感器，通过长度和传感器位置的变化而起作用。
由于传感器提供沿塑形条长度上的弯曲和扭曲信息，它可以在手里灵活的弯曲和扭转，使它成为一种创建、编辑和操纵3D曲线的理想输入工具[Grossman2003]，如图所示：
带子的一头被固定在点P1，第一段（segment1-2）被用来确定第二段（segment2-3）的起始点P2。
第二段（segment2-3）的位置和形状被映射到虚拟场景中（segment4-5）。
另外，通过识别塑形条的各种姿势（如两个端点迅速的合拢、分开），这种设备可以使用在系统控制中。
图2.11塑形条设备[Grossman2003]
1.4.2交互拖鞋
将无线跟踪球设备（theLogitechTrackman）嵌入到一双普通的拖鞋里，利用无线通讯技术和主机进行通信。
跟踪器被插入到右脚拖鞋的一个人造袋里，然后绑好。
跟踪球三个按钮中的两个连接在右脚背上的传导贴布上。
左脚拖鞋的脚背上也有两个导电贴布。
左脚上一条贴布和右脚上的一条贴布相互接触摩擦一次，完成一次按钮点击。
这样每只脚的脚后跟分别和另一只脚的脚尖相接触对应生成两种姿势。
交互拖鞋是为和StepWIM浏览技术进行交互而设计的，StepWIM浏览技术在用户脚下的地面上产生一个微型的世界，用户可以在这个虚拟世界里快速的行走到任何一个地方。
图2.12交互拖鞋[JosephJ.LaviolaJr.2001]
1.4.3CavePaintingTable
专为某种特定3D应用而研制的输入设备的另一个例子是使用在Cave绘画（CavePainting）中的Cave画桌（CavePaintingTable），Cave绘画是在VE中绘制3D场景的一种应用系统。
Cave画桌使用基于道具的设计，即使用很多画杯和一个被跟踪的画刷。
这些画杯道具放在一张物理桌子上，这个桌子放入到环屏设备里，另外房门的把手和按钮也被用于实现各种不同的交互任务。
为了和桌子关联，借助一个能控制画刷开关的按钮来增强一个真实画刷的功能。
画笔上的毛用传导布包了起来，用户可以将画刷在画杯（也由传导布连起来）里沾一下来改变画刷的笔画形状，使用一个被跟踪的桶把颜料涂到虚拟画布上去。
图2.13CavePaintingTable[Keefeetal.2001]
1.4.4活动控制桌（CAT）
它是为环屏显示环境而设计的。
这种独立的设备看起来像个圆形的桌面。
CAT使用角度传感器通过三个嵌套的方向轴来采集方向信息。
这种设备还有一个等量的构件，桌面上配有一个电位计检测在任何三维方向上的力。
因此，用户可以推或拉着该设备做平移运动。
另外，CAT有一个安装在桌面上用于2D交互的写字板，这使得CAT与众不同，因为它在同一个设备上同时提供了6-DOF和2D输入功能。
CAT的另一个优点是具有单独控制每一个自由度和保持位置不变的能力（即释放时保持物理状态不变）。
CAT也有固有的限制，因为方向嵌套轴的特性使某些方向难以精确确定，并在某些特殊情形里（比如当桌面处在竖直方向时），很难进行平移运动。
图2.14活动控制桌（CAT）[Hachet2003]
1.5直接人体输入
一种有效的和3D应用交互的方法是直接从人体发出的信号中获取数据。
使用这种方法，用户本身实际上变成了输入设备。
例如，用户可以站在摄像机前，做出不同的动作，计算机可以把这些动作解释成命令（我们将在另一篇报告——基于视频的用户界面研究中详细介绍相关工作）。
本文将概述3DUI的其它人身直接输入包括语音、生物电和脑电计算机输入。
1.5.1语音输入
语音输入是其它输入设备的一种很好的补充。
它是一种很自然的方式，能将不同种类的输入技术（即多通道交互）结合起来形成一种更有连贯性和自然性的界面。
通常，如果功能适当，尤其是用户的两只手都被占用的时候，语音输入将成为3DUI中很有价值的工具。
在处理语音输入时，有以下问题需要权衡：
（1）把麦克风放哪里？
理想的情况是使用一个大范围的麦克风，这样就无需用户佩戴头戴式耳机麦克风了。
在物理环境里放置这样的麦克风可能会有许多麻烦，因为麦克风可能会接受房间里其它人或机器的噪音。
（2）怎么让计算机知道在何时应该接收用户的声音，何时不接收？
用户常会转去和他的合作者交谈，而不是有意发布声音命令，但是应用系统“认为”用户在同它讲话。
这种误解通常是非常令人讨厌的。
克服该问题的一种最好的方法是使用某种暗示或无形的即按即说方式。
使用隐式即按即说的目标是将“按下按钮”嵌入到现有的交互技术里面，以使得用户没有通知应用系统已发出语音命令的记忆负担。
例如家具摆放应用，用户要把不同的家具摆放到一个房子里或其它的建筑里。
用户想在厨房里摆个桌子，为了完成这个任务，用户需要先创建这个对象，然后把它摆到房间里。
用户用激光指点器指出要放桌子的地方，然后说：
“请给我放一张桌子。
”获得激光指点器的这个行为告诉应用系统，用户在请求一个对象。
这个动作“附带”布置任务语音命令，使得即按即说部分成为该技术的隐含部分。
1.5.2生物电输入
美国航空航天局埃姆斯研究中心（NASAAmesResearchCenter）研制了一种生物电流输入设备，它读取人的前臂上发出的肌肉神经信号。
这种神经信号是由一排安置在手臂上的干电极获取的，利用模式识别软件对这些神经信号进行分析，然后通过一台计算机发布相应的交互命令。
图2.15显示了一个用户正在控制一架虚拟的波音757。
这种设备也可以用来在VE中模仿一个真实的键盘。
图2.15绑在用户手腕上的生物电控制装置[Jorgensen2000]
1.5.3脑电波输入
脑－机界面的目标是让用户利用大脑生成的信号直接向计算机输入命令。
脑－机界面可以使用一种简单的非入侵式的方法，这种技术通过脑电图（EEG）信号监视脑电波的活动。
用户简单地扎一条带电极的头带，或者戴一顶帽子，带子或帽子上都装有一些电极。
一个更为入侵式的方法是用外科手术在人脑皮层的运动区植入微电极。
当然，这种方法还不能通用，但是可能适合严重瘫痪的人，他们已经没有其它可以和计算机交互的方式了。
研究发现，在一只猴子的大脑皮层运动区植入微电极之后，它可以通过移动鼠标箭头来请求某个目标。
这种接口还处于研究初期，但它的前途是非常光明的，不仅是在3D界面中，也适应在任何其它类型的计算机交互中。
图2.16BrainActuatedTechnologies
1.63DUI输入设备的选择
3D界面设计的一个关键问题是为特定的应用选择最合适的输入设备。
设计者需要分析3DUI需要支持的各种任务，找到或开发出最合适的交互技术，并确保选择的输入设备是最适合这种交互技术的。
当为某个特定的3D应用选择合适的输入设备时，需要考虑的因素很多，例如，设备功效学、输入方式的种类和数量、可用的设备对应策略技术、以及用户所要实现的任务类型都在选择合适输入设备过程中起作用。
在给定的3D应用环境里，用户可能执行的操作非常多，这无疑增加了选择的难度。
一种设备对某项任务来说是可能是非常理想的，但对其它的任务却完全不适合。
在3D应用选择输入设备时的一个重要考虑是，设备如何映射到应用任务需要的交互技术。
这种映射往往要权衡利弊，因为一种设备常常会和一种或两种交互技术具有某种自然的对应关系，但对其它的技术则很难对应。
在很多情况下，输入设备都是为通用应用而设计的，虽然它们可以用作多种交互技术，但是对每种技术而言，设备和技术的适应性可能都不是最好的。
因此，几个特殊的设备可能比一种通用型的设备更具可用性。
在3D应用中，使用一系列特制的交互设备来实现一组特定的交互技术比使用一、两种可用于所有技术的通用输入设备更明智。
23DUI输出设备
任何3DUI包含必需的组成是用来向用户提供输出信息的硬件，这些硬件设备叫显示设备（或者输出设备），它们通过人的感知系统，向用户的一种或几种感觉器官提供信息，其中的大部分设备主要用来刺激人的视觉、听觉、触觉（即力、触摸）。
在少数情况下，也将信息传给嗅觉或者叫味觉系统。
当然，这些输出设备需要一台计算机使用绘制、建模、采样等技术来产生信息。
然后，输出设备再将这些信息转换成人类可以感觉的形式。
因此，显示器实际上包含了物理设备和用来生成物理设备提供的内容的计算机系统。
2.1视觉输出设备
视觉显示设备利用人的视觉系统向用户提供信息。
视觉显示设备是到目前为止在3DUI中使用的最广泛的设备。
显示设备要求计算机系统产生数字内容，显示设备可以把它们转换成人可以觉察的信息形式。
3DUI中视觉显示设备需要使用计算机图形实时绘制技术来生成图像向用户传递信息。
2.1.1终端显示器
使用一个标准的终端显示器和一些附加的硬件（立体眼镜和立体图形卡），就可以提供立体影像。
这是桌面环境下很常用的一种虚拟现实设备。
它通常是由台式机在加上立体眼镜构造而成的环境。
这种环境非常便宜，可以很方便的构造。
它可以支持使用任何输入设备；
支持用户键盘和鼠标的输入方式。
在界面设计时，可以容易地将输入动作转变为交互任务。
这种环境并不是完全沉浸式的；
用户无法移动；
不能利用外围视觉。
图3.1立体显示器
2.1.2环屏显示器
环屏显示器是一种视觉输出装置，通常具有3个或更多包围在用户周围的投影显示屏（它们的高度和宽度通常在8到12英尺之间）。
这种设备使用的屏幕通常是背部投影的（rear-projected），用户不会在显示器的表面投下阴影，但是，在某些情况下，这种环屏显示器的地下的那个可以是前投影的，只要投影仪合适安装，
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