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1.4 “真实”3D交互显示探索

《实感交互:人工智能下的人机交互技术》本书将深入讲解基于触摸、手势、语音和视觉等自然人机交互领域的技术、应用和未来趋势。本节为大家介绍“真实”3D交互显示探索。

作者:温秀颖 译来源:机械工业出版社|2019-02-03 19:46

1.4 “真实”3D交互显示探索 

虽然图像显示器已经无处不在,并且成为了我们生活中不可或缺的一部分,但是目前绝大部分显示器主要显示的是单眼视觉信息(2D),而无法重构通过人类感官获得的3D真实世界的重要视觉信号。所以,近年来,3D立体显示技术开始获得市场关注。目前3D商用显示器的主要关注点一直在于通过启动我们视觉体系中的双眼合像来提供实体视觉线索。该过程中,不同的视觉图像呈现到用户的左右眼以获取深度感知。许多书籍都介绍了各种重构2D和3D图像的显示技术的运行原理。

我们最终的目标是构建“真实”3D交互显示系统,为用户提供栩栩如生和身临其境的视觉和交互体验。这样的显示系统的发展需要更为仔细的研究,包括考察人类视觉感知系统和重构与视觉线索一致的信号流程,这样,我们才能利用传感技术来感知我们日常生活中的3D世界。那么,我们应该如何以我们的视觉和感知处理系统来理解3D技术呢?除了立体观测,我们对现实世界的3D感知利用了一些重要的3D视觉线索。这些线索包括①运动视差效应,即当我们在移动的时候,总是感觉离我们近的目标相较于离我们远的目标运动速度更快;②聚合效应,即眼球会向内侧或外侧转动以聚焦在一个离得近或远的物体;③调节效应,眼部晶状体的形状会因为聚焦某个物体而自行调节;④遮挡效应,即较近的目标部分遮挡了较远的目标;⑤线性透视效应,平行线会在视野上的远点汇聚;⑥纹理梯度效应,间隔均匀的目标从远处观察会显得更密集;⑦与目标的3D位置和照明环境一致的投影;⑧以及其他来源于我们已有的知识线索,比如熟悉的大小和朦胧的环境等。这些重要的3D视觉线索有助于我们的3D感知,如图114的所示。

已经证明,在显示器上实施的运动视差效应:投射在视网膜上的图像与观众的头眼移动变化一致。这为用户提供了除了立体观测外更逼真的视觉体验。该产品的一个例子是来自zSpace的一个显示器,如图115所示。该3D显示系统通过红外相机传感器来跟踪用户的头部移动,并根据用户的特定位置创建立体图像对,从而提供实时运动视差的视觉线索。
系统还包括一个手写笔来操控3D空间的虚拟物体。

传统3D立体显示也受到不一致的焦点线索的影响,这是由于双眼聚合的目标和晶状体调节双眼聚焦射入光线的不匹配而造成的,该冲突是导致人类视觉疲劳的原因,最近有人提出了通过使用电调节镜片来应对这一问题。

在本章前面的部分,我们已经讨论了触控传感器和相关用户界面的增加(特别是在移动显示器上)正逐步将传统显示器变为双向沟通的交互设备。我们也观察到,除了2D平面显示器有限的触摸输入,最近3D成像和行为识别技术的进展越来越多地允许用户在显示器前实现与系统的3D交互。我们预计,这两个领域发展的结合将会构造一个点对点的3D用户交互界面系统,并同时可以显示3D视觉内容、理解用户的输入。

显然,使用2D用户输入方案(如触碰或点击鼠标) 以操控3D显示器上显示的内容无法实现自然或本真的用户体验,此时使用3D交互方案可能更合适。例如,研究用户主观体

验的数据表明,用平面触摸方式在3D立体显示器上进行3D视觉交互存在重大问题,而用户更趋向于用手势与3D虚拟对象进行交互[50]。为了直接操纵3D显示器上的内容,研发直接的3D交互方案引起了人们越来越多的兴趣[51-54],不过实现这一方案的实践应用仍然需要进一步的发展。

未来“真实”的3D交互显示将需要呈现动态的3D视觉内容,为用户提供一致的立体观测、视差和焦点线索,实现除了获取单眼3D线索外的深度感知;同时研发3D传感和推理技术以实现与3D空间内重构的物体进行沉浸式交互。第11章是对实现这一目标的需求和进程的深入分析。这一章首先详细列出了利用光场原则和人类视觉感知的基础知识重建“真实”3D视觉信息的内容。然后综述了能够提供所有重要视觉线索和逼真3D感知的“真实”3D图像显示器的技术发展。最后,我们提出了集成人机交互/3D视觉内容和系统的建议,包括人为因素问题和潜在的解决方案。


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