虚拟工作桌:舒适高效的沉浸式信息可视化方法(VirtualDesk: A Comfortable and Efficient Immersive Information Visualization Approach)

在许多情况下,3D呈现是很有用的,有其优点例如:快速构建空间数据的心理模型、大图中清晰的空间分割、散点图中三变量的模式发现。但是3D呈现长期以来也面对着感知和交互上的挑战,如:透视失真、笨重易错的数据探索、与传统二维的交互设备失配。而当前结合全景呈现和自然交互的沉浸式技术正在逐步被认为是解决这一问题的方法,但这一领域仍需要规范的指导方针和更多深入研究,尤其是在抽象数据的信息可视化领域。

目前许多已经提出的沉浸式可视化及交互方法在实际中并不太实用,可能导致用户3D晕眩,或是需要过多的探索时间与空间。飞行导航的方法比较费时,同时又容易使用户产生不舒适感;真实走动导航方法效率太低。在这篇论文的工作中,研究者们实现并评估了一种新式的数据探索方式:VirtualDesk。

VirtualDesk Interface

 

VirtualDesk简介

VirtualDesk沉浸式可视化的基础是将数据都投影在用户的手臂活动范围内。用户可以坐在桌前,只由头部的运动控制视角的变动,并且所有对可视化视图的操作都是直接由半空中的手势来实现。主要的手势分为两种,一种是抓取,一种是点击。当用户用一只手进行抓取,可以根据手相对手心的变化相应对可视化进行平移或者旋转。当用户同时用两只手进行抓取,可以根据两手手心之间的距离对数据实现缩放。对于点击,作者强调了连续的快速的两次点击才意味着一次选择,以此来避免用户的误点而产生的多余选择。同时作者给两只手的点击交互方式分配了不同的含义。左手的选择是展示该点的详细信息和标注等,而右手的选择是将这个点作为之后用户调研的任务答案。

VirtualDesk的名字由来就是作者在真实的桌面上投影覆盖了一个虚拟的桌面,当用户在虚拟环境中触摸到虚拟的桌面时实际上是触摸到了真实的桌子,可触摸的工作桌可以增加用户的沉浸感。同时有了二维的桌面后,就可以在其上展示一些二维的图表,如:可作为过滤器的图例、可作为空间过滤器的地图、展示标注等详细信息的板块、一些增强交互的辅助的按钮。整个系统的实现借助了头戴式设备Oculus Rift CV1,用于检测手的位置和手的形态的设备Oculus Touch hands controllers而不是Leap Mition。

VirtualDesk Overview

User Study

为了评估VirtualDesk与传统的基于桌面的可视化方法,作者开展了一个及其全面的用户调研。在用户调研中选择了点云,或者说3D散点图在高维数据投影中的一个应用案例作为研究背景,数据是连续四年的巴西唱名表决投票数据,通过主成分分析方法将数据降维至三维的散点图。在散点图中,用户需要分别在两个系统上完成9个感知与交互的任务,主要可以将这九大任务分为四类。第一类是基于点的距离感知任务(T1-T4),第二类是基于类别的密度感知任务(T5, T6),第三类是聚类任务(T7),第四类是交互类任务(T8a,T8b)。在开展用户调研之前,作者也对其系统提出了4个猜想,猜想一是VirtualDesk可以加强用户对于距离和密度的感知,猜想二是基于鼠标的交互方式在选择任务上仍会快于VirtualDesk,猜想三是自然的手势交互可以降低用户的工作量同时增强主观的准确率和沉浸体验,猜想四是VirtualDesk相较已有的沉浸式可视化交互方式更有高效并且不易产生不适感。

用户调研共有24个来自计算机学科的毕业生,整个流程首先填写一份关于3D体验与经验的基础信息问卷,然后是一段VirtualDesk或者Desktop的教程,让用户熟悉如何使用系统。在完成教程后,用户开始完成分配的九大任务,主要考察的是完成任务的耗时以及正确率。在完成了所有的任务后,用户最终需要填写一份反馈问卷,关于VirtualDesk的体验与Desktop的比较,整个过程一个人大约耗时40分钟。

从最后结果的统计图表来看,VIrtualDesk在T5-T8b任务上相较Desktop要慢一些。一方面是因为这些任务需要更多的与虚拟工作桌的交互,而用户普遍还对新提出的交互方式并不习惯,另一方面,由于设备在检测手和桌子的模型时存在一定误差,当用户的手较大时,用户体验普遍时与虚拟工作桌的交互很困难,时常得不到反馈。在错误率方面,VirtualDesk在T1和T6上明显低于Desktop,验证了作者的猜想一,VirtualDesk确实加强了用户对于距离和密度的感知。还有一个很有趣的发现是在VirtualDesk中,用户对散点图的旋转平均角度是Desktop的6.8倍,间接说明了VirtualDesk中的自然手势交互方式是符合人的直觉的,并且对数据的旋转有助于用户正确感知距离、密度等信息,在增加了数据探索时间的同时也降低了错误率。在其他的任务中,VirtualDesk大多是与Desktop持平或者略优。

Time-consumed

Error Rate

结合用户的反馈答卷,从数据探索的角度以及使用体验来看,用户认为VirtualDesk是优于Desktop的,但是在交互方面,用户仍然认为VirtualDesk不如传统的鼠标键盘便捷。除去手的大小对系统的影响,作者也认为如果能有更长的训练时间,普遍会有更好的表现和体验,因此以后可以设计一个长时的评估方法。与飞行导航方法相比,同样的虚拟环境探索时间下,用户在VirtualDesk中显著普遍没有感到不适,并且明显完成任务的时间更短。

User Feedback

作者的讨论中提及了他们认为通过双击来选择是一种更为符合直觉的交互方式,而他们在交互中主要的错误是不应当为双手的点击分配不同的含义,因为当目标点离左手更近时,一个右撇子也会用左手去点击,即使事先在教程已经明确知道只有通过右手点击才是选择。这说明了为双手分配不同的任务时应当小心谨慎,容易使用户产生混淆。同时他们评价该工作的一大创新点在于沉浸式的环境中,引入了非沉浸式的内容,通过在空间中引入实际的或虚拟的桌面这一二维平面,以此来弥补二维信息以及文本信息难以在空间中呈现的问题,还加强了沉浸的体验。在未来,作者希望以此实验的结果为基准,设计一个可多用户合作的沉浸式可视化交互方法。

总结

在这篇文章中可以看到自然的、与沉浸式可视化的交互,对于提高效率和正确率是至关重要的。这其中提升对于手部动作的检测精确度仍是一大主要问题。同时,在用户仍然对新式的手势交互仍不熟悉时,还应该多借鉴传统的鼠标交互设备来指导新的交互方式。我们也可以看到在沉浸环境中加入一些真实的物体有助于人们加强沉浸感和代入感,将这一VR环境的技术移植到AR环境中,通过桌面上的小型物块取代传统的虚拟按钮,也许可以得到更好的结果。

参考文献

[1] JA Wagner Filho et al. “VirtualDesk: A Comfortable and Efficient Immersive Information Visualization Approach”, Computer Graphics Forum 37 (3).

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