虚拟现实空间中的三维界面设计研究

2022-12-03谷悦谭佳佳项李

设计 2022年22期

谷悦谭佳佳项李

摘要：针对目前虚拟现实产品缺乏设计规范与相关理论而导致产品操作繁杂、学习成本高、体验感差的现状，构建虚拟现实空间内的界面设计范式。通过分析总结传统界面与三维界面的主要设计差异：1.设计工具的变革；2.设计流程环节的增加；3.验证方式的变革。通过合理的场景布局与交互指令引导用户操作，优化用户体验。得出三维界面构建策略1.通过合理的交互密度与操作范围；有序的界面设计层次构建；多通道多纬度展示空间信息构建人机和谐的自然交互关系；2.通过心智模型驱动界面体验优化。该方法可指导和检验虚拟现实空间中的界面设计。

关键词：VR 三维界面用户体验人机交互设计研究

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2022）11-0134-04

Abstract：Aiming at the current rapid rise of virtual reality products，covering a wide range of fields，but lacking design specifications and related theories，which leads to complicated product operations，high learning costs，and poor experience，to build an interface design paradigm in the virtual reality space. Through analyzing and summarizing the main design differences between traditional interface and three-dimensional interface：1. The change of design tools； 2. The increase of design process links； 3. The change of verification methods. The 3D interface design requires the use of Cinema 4d，3d Max，Maya and other modeling software to build the scene，and guide the user through reasonable scene layout and interactive instructions to optimize the user experience. Drew a three-dimensional interface construction strategy. 1. Build a harmonious natural interaction relationship between man and machine； 2. Drive interface experience optimization through mental models. This method can guide and test the interface design in virtual reality space.

Keywords：VR Three-dimensional interface User experience Humancomputer interaction Design research

引言

虚拟现实技术将技术、艺术与计算机硬件相结合创造出真实的沉浸式三维环境，是数字时代顺应而生的产物，具有高技术型、高沉浸性与高学科交叉性特征。界面，是指用户与计算机间信息交流的媒介，2007年苹果推出了第一款iPhone，界面设计与用户体验才真正得到企业与社会的关注，人们开始意识到好的界面设计与交互方式可以使产品脱颖而出。用户体验（User Experience，UE /UX）是美国设计师唐纳德·诺曼（Donald Norman）于20世纪90年代提出的，关注设计对象主观感受的设计理念。在信息泛滥与技术驱动的社会中，设计师的指责并不仅是使页面美观，如何通过设计给予用户有效的信息展示帮助其快速抓取有效信息，同时具有良好的视觉和操作体验是设计师需要更多关注的部分。

而虚拟现实空间中的界面相较传统二维界面增加了空間与方向向量，用户在体验VR产品时还需佩戴头显设备，配合控制手柄进行操作，因此传统的二维界面设计范式已不再适用，合理的交互方式与设计展示尤为重要。

目前虚拟现实产品发展迅速，涉及领域较广泛，但却缺乏设计规范与相关理论导致用户操作繁杂、学习成本较高、体验感差。在调研过程中，一些虚拟现实产品的界面甚至直接将传统的二维界面直接置于虚拟空间内，用户在佩戴头盔后仍需阅读大量文字，违背了人机和谐的交互设计原则，甚至加重了VR眩晕。因此，构建虚拟现实空间内的界面设计范式尤为重要。

一、三维界面相关概念

（一）虚拟现实基本概况

虚拟现实（virtual reality）的诞生可追溯到20世纪60年代前，最初其以模糊幻想的形式出现于众多文学作品和艺术创作中。早期的艺术创作探索展现的虚拟现实尝试在19世纪的全景壁画，法国军人、画家jean charles langlois所画的《博罗金诺战役》如图1该类全景式画作的创作可以帮助观众填补整个场景视野，使其有身处于当时的历史事件中的直观感受。文学作品中对虚拟现实的幻想早在1932年著名英国作家Aldous Leonard Huxley推出的长篇小说《美丽新世界》，小说刻画了在科技高度发达的未来世界里，人的需求可以即刻满足，但事实上这种满足只是幻觉，描绘了机械文明在人们未来社会生活中的运用场景。1935年，美国科幻小说家Stanley G.Weinbaum发表了小说《皮格马利翁的眼镜》。小说描述了戴镜者通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉体验虚构的世界，提及并预言了今日的VR设备，是目前公认的对“沉浸式体验”的最初描写，为之后虚拟现实的设计构建了概念原型。1968年，Ivan sutherland与学生Bob Sproull共同设计展示了被广泛认为是第一个HMD系统，即所谓“达摩克利之剑”，首次显示了计算机程序系统以三维立体形式展示。

如今，在信息时代与数字革命的驱动下，虚拟现实被越来越多的人认识并关注。人们通过佩戴VR眼镜自由的穿梭在真实与虚拟世界中，虚拟现实将技术与计算机硬件相结合创造出真实的沉浸式三维环境，并通过移动设备与运动传感器来进行实时追踪，进一步与之交互。虚拟现实将目前涉及众多领域，如游戏、影院、电子商务、旅游、实验、艺术、心理学治疗、社交等。例如，2017年谷歌推出了基于HTC Vive头盔的VR绘画应用Tilt brush如图2，使用者戴上VR头盔即可将传统的平面绘画区域拓展到3D空间，给予了艺术家更大的创作空间，也使得艺术创作更加自由、高效。

（二）三维界面概念

我们所在的是一个三维世界，在维度理论中对三维空间的解释是由无数二维平面所构成的实体空间，在二维系中增加了方向向量。因此，三维界面相较传统的二维界面中也增加了空间营造与方向控制相关设计，是HCI（人机交互）研究中的重要的研究领域之一。如同二维界面有菜单、图标、列表、导航栏等组件构成一样，三维界面同样是由技术指令与组件构成，但不同的是，三维界面中多了更多输入设备与外接传感器，支持用户在一定程度上通过双手甚至“全身”动作进行交互。在三维空间里，人们对于沉浸式体验有了更高的要求，因此，在设计与研究过程中，在视觉传达与感知体验方面要做到信息布局呈现简明、清晰，操作引导及时、准确，避免用户在三维空间中感到不知所措。

三维界面通常需要有丰富的空间场景，在场景的设计中，考验设计师的不仅是传统界面设计中的图形语义表达、色彩搭配与样式规范等，还有更多的空间布局类设计。例如，一些反馈规则和提示信息需要告知用户在输入前、中、后的不同状态，则意味着需要在界面设计中留有这类信息所需的位置和深度，以此来帮助用户理解整体关系。同時，此类信息的表现也需要结合场景内的灯光、多层级的透明度叠加、适度的模糊等。

（三）从二维界面到三维界面的设计转变

如今，由于虚拟现实设备还未普及，当代设计多数产品仍以二维界面形式展示，对于二维界面的UI、UX理论已十分成熟。从本质上来讲，适用于二维界面的核心理论知识与方法论如：以用户为中心的体验至上原则、情感化界面设计、一致性原则等同样适用于三维界面设计。但不同的是，从二维界面到三维界面的转变更大程度上需要设计师掌握跨学科知识，了解更多的技术原理与实现方式，并且在设计实践工程中其运用的工具、流程，以及产出结果后的验证方式也与二维界面有了一定的变革：

1.设计工具的变革

在传统的UI设计领域中，设计师大多通过sketch输出设计规范稿与切图交付开发，涉及到微动效部分需在After Effects或其他动效设计软件中进行。在三维界面设计中由于载体不再局限于传统的移动端、pc端等，用户在佩戴VR头盔后所看到的将是360度环绕式场景，因此设计所需要的工具也更加多元，最主要增加的环节即是三维场景的构建与unity 3D开发引擎的介入，三维场景可以通过Cinema 4d、3d Max、Maya进行制作，将设计好的三维模型场景导入到unity 3中进行交互开发和整体渲染。

2.设计流程环节的增加

三维界面在前期调研阶段与二维界面设计并无较大差异，但由于虚拟现实设计需考虑设备因素，因此在用户选择和使用场景需做充分的考察与实地调研。在交互与视觉设计中，由于载体变化界面设计师需要有更加全面和宏观的考虑，下一章设计策略中会详细阐释。相较传统设计，流程中增加了角色、场景建模；引擎渲染；音效、动效设计等内容，目的是将VR的沉浸式体验做到极致，以达到身临其境的效果。

3.验证方式的变革

验证阶段是对产品的分析、评价和测试。传统界面与三维界面设计和验证应均是迭代式进行，设计后验证，验证后修改设计如此循环才能不断优化产品达到良好的用户反馈。而三维界面不同于传统界面的是物理环境的改变，增加了许多非传统的输入、输出设备，且每位参与用户因性别、身高、习惯等的不同也使界面的验证变得更为困难，例如：身高160cm的女性与身高180cm的男性佩戴VR设备时所看到的视角不同，坐姿体验与站姿体验的视角及肢体产生的本能交互反应也是不同。因此，在设计初期需要针对设计产品需要提供的服务以及服务对象样本进行调研，从中选择最具代表性的人群特征，在设计验证中同样需要充足的用户样本，以大量的实验数据分别对输入设备、界面元素、交互技术进行量化。

二、三维界面设计策略

（一）设计表达维度扩容——构建人机和谐的自然交互关系

三维界面设计是对传统设计范式在内涵与边界的扩容，美国MIT Media Lab将科学、媒体、艺术、设计相结合，致力于研发最新的计算机前沿技术，形成新型的交叉学科，做具有前瞻性和创造力的研究，虚拟现实技术的研究与应用是MIT Media Lab的重点项目。数字化蓬勃发展的今天，在虚拟现实空间中进行设计创造，为设计师创造了更为丰富与全面的设计载体，设计价值也越来越被社会各界重视，如今，设计作为综合性交叉学科应摆脱在传统设计领域的被动位置，统筹各方资源，推动设计创新。

虚拟现实空间中的设计核心是构建人机和谐的自然交互关系，合理的自然交互是指人在本能状态下而发生的交互指令，如看到物体自然的躲避，表示认同时点头，运动时的自然摆臂等。在设计特定的功能时，应充分考虑到人类在空间的认知、感知和行为，以及所需运用到的传感器技术，保证设计结果符合体验预期且不因繁琐的穿戴设备对用户造成备负担。

虚拟现实中的人机交互模式在实现技术难度方面远超传统模式，如图3所示若想实现虚拟现实环境下人机和谐的交互方式需要保证高质量的硬件开发平台即高性能的图像生成和处理系统，与合理的软件开发应用例如：结合动态捕捉技术、语音识别与输入技术、触觉反馈技术等。因此，在设计过程中应综合考虑软、硬件环境，遵守如下的设计原则：

1.合理的交互密度与操作范围

交互密度是指在既定场景下用户预计的交互次数。传统的界面设计中，由于功能内容的多样性，用户在某种程度上需要频繁地下达指令操作（如在手机上进行上下滑动、点击、长按等）达到目的或获取更多信息，因此，整体操作是相对密集的。而对于三维界面设计，用户需要佩戴VR头显设备，较多的肢体或运动交互则会加大用户产生模拟器眩晕症概率，而较少的交互则会让用户长时间处于被动状态，感到无聊。因此，在设计交互密度时，需要针对具体的产品场景、任务流程、体验过程中可能出现的突发状况进行差异化设计。

合理的操作范围主要涉及：a.视场角（FOV）的设定，指用户在体验VR产品时双眼在垂直方向上与立体感知中的舒适范围。通常情况下，视场角越大，用户的沉浸感知越强，提倡开阔的场景氛围，鼓励用户在其中进行探索，但视场角但视网膜边缘不利于获取重要信息，仅适合于提供视觉线索与营造场景氛围。b.颈部转动范围。人类颈部是脊椎中运动最灵活的区域，美国骨科医师学会的《关于运动的临床测量（Green and Heckman 1994）中总结了正常颈部活动范围如图4所示，随着年龄增长与年轻人长期伏案工作极易出现颈部活动受限的情况，因而根据VR产品主要针对的目标用户而进行实验测试，得出最为舒适的运动角度，唯有确定适当的交互密度与合理的操作范围才能使整个产品体验更加友好、舒适。

2.有序的界面层次构建

三維空间中的设计层次是体验者在佩戴VR设备后所看到的物体景象之间的位置与景深关系。有序的层次构建可以给予用户更好的操作指引与沉浸体验。在设计场景时，可以将其想象成以用户为中心的球体设计，在空间构建中可将主体分为前、中、后景三大类。如图5所示前景内容是物体距离人眼最近的部分，适合放置UI界面，作为引导用户操作，提供明确的参考对象、任务进度与交互反馈。中景主要是场景搭建，通常需要在unity中建模渲染，场景的渲染在中景设计中至关重要，需考虑模型与用户视角的比例关系及场景渲染品质，场景渲染品质高可以减少用户在体验过程中的眩晕感以提升用户体验。同时，场景中也可包含部分非主要的引导信息，通过色彩与动效给予用户提示。后景则是氛围烘托营造，可以如远山、天空，为避免体验卡顿，氛围空间的营造可以配合使用360度全景相机完成。

3.利用多通道多纬度展示空间信息

在虚拟空间里，原本有限的屏幕转化为空间立体，且球形延伸也给予用户丰富的想象空间，三维界面构建出的丰富场景空间也提供了多通道多维度的信息展示方式如声音、运动、光线、动效可以增加视觉传达表现力，也可以使信息传递更加直观、高效。特别是VR中的立体音效，听觉体验是影响用户体验的重要因素之一，用户可以通过声音来判断位置和距离，VR中的立体音效结合头部追踪技术，可以在转动头部来感受不同方位的生意变化。综合多维度的空间信息设计，用户可以在轻松、有趣的环境中拥有积极的情绪，获得沉浸式的游戏体验，也会更自然主动地与虚拟空间产生互动。因此，在设计过程中应时刻考虑到虚拟现实为用户打造的是全感知体验空间，应综合运用多种呈现表达方式，而不是运用单一的视觉语言。

（二）心智模型驱动界面体验优化

心智模型最早于1943 年由心理学家 Kenneth Craik提出。心智，在心理学中是指人们对已知事物的储存和沉淀，“心智模型” 是隐藏在行为背后的形式和规律它影响着人们的观察、思考和行动。但心智模型也并非一尘不变，在产品设计周期中，心智模型随着科技的创新、人们生活方式等外界因素而变化，人们在生活中的定式思维与行为习惯也随之发生相应的改变。同时，用户的好奇心与猎奇心态也会促使其打破旧事物，从新鲜事物中寻找刺激。例如，曾经我们习惯性地在年末时购买新年日历，对重要日期与事件进行标记，但随着技术创新我们可以直接与智能设备语音交互，使其为我们提供记录提醒服务，诸如此类的优化不仅提升了工作效率也使普通用户感受到了拥有私人助理的情感愉悦。这是心智模型的自然迭代，是自省、学习、创新和变革的过程。

在经济、技术快速发展的今天，需要设计师通过洞察用户心理，实验探索出可以被接受的新的交互方式。如何将二维界面中用户习惯的操作手势，合理地转化为三维界面中的动态手势，并延续为行业规范是虚拟现实界面研究目前需要解决的重要问题之一。目前，在移动应用中我们已经习惯了部分操作，例如：长按图片以保存；上滑App界面可以返回到手机主频幕，但其依旧保存在后台程中等。但VR世界的规则还没有被定义，在虚拟现实空间中的交互行为是对用户心智模型的深度理解和总结，许多目标用户是VR新手，没有熟悉的产品和使用方法作为支撑，而在佩戴VR头显设备后会进入一个全新的场景，出于个人本能的生理反应，用户会在情景中感到一定的迷茫甚至手足无措，因此，心智模型的构建则是尤为重要的，要求设计师与研发人员不能从自身角度去模拟用户行为，而是通过真实的用户行为数据指导设计。心智模型驱动下的界面体验优化，首先需要根据产品定位确定目标用户，通过提取用户需求与分析用户的习惯构建心智模型，设计师需要运用所构建的心智模型，预知用户行为指导设计；其次，通过选择相应的设计方法，例如：在三维界面设计中需要运用到定量研究与定性研究、交叉学科研究发等完成概念模型设计；最后，通过对设计模型进行可用性测试，计算实验数据得出用户对于体验的满意度，进一步优化和迭代设计。针对与VR产品，在每个关键步骤完成后均应开展可用性测试，解决和改善开发过程中的问题。如何将二维界面中用户习惯的操作手势，合理地转化为三维界面中的动态手势，并延续为行业规范是虚拟现实界面研究目前需要解决的重要问题之一。虚拟现实技术市场前景广阔，又有诸多运用领域，如：游戏、教育、购物，家装、房产开发、工业仿真、文物古迹等。但由于没有通用设计规范及用户心智模型指导，设计呈现效果参差不齐，学习成本过高。

Chris milk是VR設计的先驱，他在演讲中指出：虚拟现实技术是终极“情感机器”VR技术所创造出的沉浸感能够从本质上改变受众对传播内容的情感接受度。根据谷歌发布的访谈结果来看，人们被VR吸引，大多是因为他们体验了前所未有的情感和经历。因此，在心智模型驱动下界面体验优化目标不应仅仅是达到和符合用户的预期目标和满意程度，只有超出才能留住用户。

总结

人是万物的尺度，自古以来中西方在文化表达中都强调了以人为中心的评判标准，信息社会更加强调人性化的设计。VR空间更加注重用户沉浸式体验，因此用户体验的衡量与评价维度相较传统界面设计也发生了变迁。经过长期的学习与用户行为的培养，大众早已习惯于在二维界面进行操作，二维界面设计受范围和尺寸影响，设计师会重点关注页面信息在二维平面中的信息展示排布，而对于虚拟现实空间中的三维界面则是针对全景空间的信息设计，需要更加综合的设计考量，规划合理的信息布局与操作指令，搭建良好的用户体验空间。

文章针对现阶段虚拟现实产品日益增长，但缺乏理论设计理论指导而导致的体验不佳、用户流失严重现象，提出了虚拟现实空间内的界面设计范式，具体分析了从二维界面到三维界面的设计转变，主要有1.设计工具的变革；2.设计流程环节的增加；3.验证方式的变革。并提出了针对虚拟空间中的三维界面设计策略：1.通过设计合理的交互密度与操作范围，利用空间中的景深关系形成有序的界面层次来构建人机和谐的自然交互关系；2.通过心智模型驱动界面体验优化。通过该流程与方法可指导和检验虚拟现实空间中的界面设计。

每次技术革命都并非一帆风顺，用户习以为常的认知习惯是不易被轻易改变和打破的，虚拟现实产品的交互行为培养也需要经历漫长的过程。作为新兴的数字信息时代产物，虚拟现实结合最新科技给用户带来了前所未有的沉浸视听体验，也给后疫情时代的生活、工作、教育、娱乐带来更多的可能。

基金项目：中国风格文化创意及智能产品设计技术集成与应用示范（2019YFB1405700）。

参考文献

[1]龙彬，王峰.基于“转移”概念的VR交互策略研究[J].包装工程，2020，41（08）：198-202+212.

[2]崔文铮.试谈虚拟现实中的交互设计[J].电脑编程技巧与维护，2020（02）：148-150+163.

[3]岳鹏飞，陆后军.头戴式虚拟现实系统用户体验的设计因素分析[J].设计，2020，33（03）：134-135.

[4]邹坤达，鲁晓波.虚拟空间中有效引导用户注意力的体验设计研究[J].设计，2020，33（01）：30-31.

[5]马丹.基于用户体验的虚拟现实交互设计应用研究[J].传播力研究，2018，2（23）：222.

[6]杜一晨.虚拟现实与设计未来[J].中国艺术，2018（08）：54-57.

[7]叶风.VR全景交互媒介特性与内容设计方法[J].科技导报，2018，36（09）：61-65.

[8]张玳. 体验设计白书[M]. 北京：人民邮电出版社，2016.

[9]刘军.新设计伦理[M]. 北京：中国文联出版社，2017.