我手中的全息图:可感知的沉浸式增强现实中的三维可视化交互探索效率如何?(The Hologram in My Hand: How Effective is Interactive Exploration of 3D Visualizations in Immersive Tangible Augmented Reality?)

随着新型展示和交互技术的发展,信息可视化已经不再局限于传统的桌面应用。AR,VR领域日新月异,越来越多的可穿戴设备能够支持多自由度交互和沉浸式展示,为人们身临其境地和数据交互,深入理解数据对象提供了很大便利。对于一些三维视图,传统的桌面可视化在展示性能上仍有不足。我们很自然地想到结合这两种技术,让用户使用头戴式设备在沉浸式环境下进行三维数据探索,但这同时也引起我们产生一个疑问——用户和真实世界中全息图进行交互探索,和传统可视化相比是否是一种更有效率的策略?这篇文章[1]给出了一个有关桌面三维可视化、平板电脑中的AR可视化、和头戴式设备中的沉浸式可视化在完成三维探索任务性能上的研究,通过分别完成三维点云中的几个基本问题,从而比较三种方式完成任务效率等方面的差异。

首先比较桌面三维可视化(Desktop)、平板电脑中的AR可视化(Tablet AR)、和头戴式设备中的沉浸式可视化(Immersive AR)这三种方式的立体感知( Stereoscopy),交互自由度(DOF)和空间接近性(Proximity)上的不同, 本文中头戴式设备使用了Microsoft HoloLens。空间接近性是指交互的动作和效果在空间和视觉上的协调程度,空间接近性差的交互方式缺乏自然感。如图1所示,三种属性最好的是HoloLens,最差的是Desktop,Tablet AR介于二者之间。

图1,表示了三种方式不同特性的对比

在具体的实验环境上,Desktop的用户会使用鼠标左键和三维视图进行交互,Tablet AR和Immersive AR使用了Vuforia SDK中的Image Target功能,使得底图可以被追踪识别(Marker),如图2所示,用户会使用两张可以随意移动的底图分别置于平板电脑摄像头后和眼前,一张底图用于识别后展示数据视图,另一张底图用于识别后用作交互功能(选择点的触发器,切面),用户可以使用平板的触屏。实验请了15名有CS背景的用户参加体验,他们之中只有一部分人知道有关沉浸式的知识。这些参与者需要在完成3组用于培训的training trails后进行6组study trails的记录性实验,并在完成后填写问卷。同时,文章中想要证明长时间的学习对于使用HoloLens的效率有所帮助,因此也进行了为期5天的连续实验,记录实验者是否因为熟悉操作方式而进步。

图2,三种方式交互在本文中的实施例

实验要完成4个任务,这四个任务在三维可视化交互中是比较常见的,探索这四个任务的效率具有代表性。如图3所示,分别是比较点之间的距离,统计簇的个数,选择特定的元素和放置切面。

图3,在点云中执行4种任务:a)比较两对点的距离;b)统计簇的个数;c)选取对象;d)切割平面

如图4,在距离任务中,点云中会展示出两对分别用红色和黄色高亮的点,两对点之间的距离差为20%,用户可以通过改变视角从不同方向观察他们距离的差异,并给出答案。在选择任务中,点云中会展示出红色的点,用户需要点击它们。此任务三个平台有不同的方式,在Desktop中,用户直接用鼠标点击;在Tablet AR中,用户可以触摸屏幕;在Immersive AR中,用户手持第二张底图,如图3(c)所示,底图的一角会在识别后展示一个紫色小圆点,这个圆点充当选择的触发器,当用户移动底图时,一旦这个圆点接触到点云中的红点,则认为是被选中的状态,用户只要点击HoloLens配套的Clicker确认答案即可。

图4,距离任务和选择任务

如图5所示,在统计任务中,点云会展示几个明显的cluster,用户只需要通过旋转角度数出其个数即可。如图6,在切面任务中,点云中首先会给出三个cluster,每个cluster十个点,用户需要放置一个平面,这个平面尽可能多地经过这三个簇中的点,一旦点在平面上就会变成蓝色,最后统计变成蓝色的点的数目。此任务三个平台有不同的方式,在Desktop中,系统会提供一个四角有黄球的平面,黄球可以拖拽改变平面的位置和方向,用户需要使用这四个黄球放置平面;在Tablet AR和Immersive AR中,用户可以使用第二张底图,这个底图识别出后会产生一个触发器,它代表一个切面,只要把它插图点云中就可以自动视为选择了一个切面。

图5,统计任务

图6,切面任务

实验人员对任务完成的准确率的速度进行了假设,他们认为:1)距离任务Immersive AR更准;2)距离任务Desktop更快;3)统计任务Desktop更快也更准;4)选择任务Immersive AR更准;5)切面任务Immersive AR更快也更准;6)训练后,用户在Immersive AR中表现会更好(更快更准)。经过实验结果的分析,只有假设2),3),5)和6)中的速度得到了验证。实验人员对结果总结出了以下几点结论:1)Immersive AR在交互任务比较复杂(需要比较细节的操作)的时候表现更好;2)训练可以使Immersive AR表现提高;3)视觉和交互空间的一致性对于效率很重要;4)沉浸式的交互环境可以使得用户身心愉悦;5)传统桌面仍然具有较好的交互性能;6)沉浸式的交互具有较大的个体差异。

这篇文章给出了一个完整的对于三种环境下三维交互探索效率的比较,试图证明沉浸式可视化能够提升交互性能,在几个方面得到了验证。笔者认为这篇文章通过实际问题,系统地验证了沉浸式可视化目前交互上的优缺点,为今后这一领域的研究者做出了贡献。

[1] Bach B, Sicat R, Beyer J, et al. The Hologram in My Hand: How Effective is Interactive Exploration of 3D Visualizations in Immersive Tangible Augmented Reality?[J]. IEEE transactions on visualization and computer graphics, 2018, 24(1): 457-467.

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