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用于形状评估和修改的声音和有形界面
摘要：
设计和虚拟原型设计领域最近的研究课题之一是为设计师提供以自然和交互方式创建和修改形状的工具。多模态互动是本研究的一部分。它允许通过不同的感官通道向用户传达信息。使用比触摸和视觉更多的模态增强了虚拟环境中的存在感，并且可以以各种方式呈现相同的信息。另外，多模式交互有时可以用于通过传递在现实世界中通常不被感知但可以由虚拟环境模拟的信息来增强用户的感知。本文介绍了一种系统原型，使设计人员能够借助触摸，视觉和声音来评估形状的质量。声音用于传达与虚拟对象相关的几何数据，这些数据实际上是通过触摸和视觉无法检测到的。此外，本文介绍了对该原型进行的初步工作以及为证明其可行性而进行的首次测试的结果。强调了与这种应用程序的开发和原型本身的实现相关的问题。本文还关注与多模态交互的使用有关的潜力和问题，特别是听觉渠道。本文介绍了对该原型进行的初步工作以及为证明其可行性而进行的首次测试的结果。强调了与这种应用程序的开发和原型本身的实现相关的问题。本文还关注与多模态交互的使用有关的潜力和问题，特别是听觉渠道。本文介绍了对该原型进行的初步工作以及为证明其可行性而进行的首次测试的结果。强调了与这种应用程序的开发和原型本身的实现相关的问题。本文还关注与多模态交互的使用有关的潜力和问题，特别是听觉渠道。
发表于： 2008年IEEE国际触觉音频视频环境和游戏研讨会
会议日期： 2008年10月18日至19日
IEEE Xplore日期： 2008年11月21日
ISBN信息：
INSPEC登录号： 10397958
DOI： 10.1109 / HAVE.2008.4685315
出版商： IEEE
会议地点： 加拿大安大略省渥太华
第一节
介绍
用于形状创建和评估的数字工具作为计算机辅助设计工具如今主要用于具有美学价值的产品的设计。有时问题是这些工具对于设计师而言过于技术化，他们通常能够通过使用手或以更自然的方式表达他们的想法，而不是使用经典的鼠标和键盘交互。此外，操纵表面控制点并不是在创作过程中开发新形状的简单直观方式。
在开发新概念产品的过程中，设计师需要与他们正在设计的产品的不断变化的形状进行物理交互[1]，以便检查和评估其产品的美学特征。因此，产品的物理表示是设计过程的必要部分。
多模式界面领域的研究领域积极研究基于触觉技术的新工具在美学形状设计中的应用。触觉界面与传统设计工具的集成将改善可用性和交互问题，并允许设计人员与他们正在创建的产品进行物理交互。在过去，触觉研究界已经在很大程度上研究了基于点的交互模态，因此，许多具有三个或六个自由度的基于点的设备已经商业化，但是这些工具可能不适合形状评估和形状修改。创作阶段。
本文中描述的研究是作为SATIN项目的一部分进行的，该项目由混合现实（MR）环境组成，用户可以在其中与虚拟和物理对象进行交互。用户将能够通过使用触摸来查看对象并探索和修改对象的形状。该项目的一个重要和创新元素在于使用声音作为传达有关虚拟对象和用户交互的信息和反馈的手段。更具体地，声音的使用允许设计者探索难以通过触摸或视觉检测到的对象的几何属性。在本文中，我们重点介绍了在应用程序开发过程中遇到的问题，以及原型本身的实现过程中遇到的问题。
第二节
多模式交互
虚拟环境代表高级人机交互系统，通过多个传感通道进行通信。多模态是系统的质量，它允许在人机交互期间使用更多的一种模态（通道）。在多模式系统中，用户通过诸如语音，手势，凝视，视觉，听觉，触觉等几种模态与计算机通信。通常，大多数信息是通过视觉信道接收的。增加交互的需求促使设计者探索其他模态的整合并利用跨模态效应。人机系统通信最常用的通道是视觉，听觉和触觉[2]。为了建立虚拟环境（VE）反馈通道设计的约束，许多研究致力于人类感觉和运动生理学。
通过主导视觉信道接收的信息流远大于触觉或听觉信道的信息流。大多数基于立体视觉的虚拟环境提供对通过左眼和右眼接收的图像的三维理解。用于显示3D环境的立体机制包括空间和时间排序，偏振或背光[2]。立体可视化系统的示例包括头戴式显示器，投影系统和电源墙。触觉反馈被认为是虚拟现实交互的关键模式[3]涉及主动操纵场景中的虚拟对象。添加触觉可以增加用户沉浸感和交互性，并通过允许显示对象物理特征来提高模拟效率。最近对触觉界面的研究产生了触觉设备[4]。为这些设备设计的触觉渲染算法实时计算虚拟环境中的交互力并将它们映射到反馈设备上。触觉频道除了表示虚拟对象的时空属性之外，还可以表示与虚拟对象的物理属性相关的信息。触觉很少用于空间辨别本身。在大多数情况下，触觉通道被评估为叠加到视觉通道，作为冗余模态。人体因素实验由Richard等人进行。[5]评估将触觉添加到部分沉浸式环境中的好处。
最近新出现的触觉幻觉理论[6] [7]证明了多个传感通道的组合使用不仅可以用于增强存在感，而且可以用于解决由于装置缺乏分辨率而导致的问题。声音在现实世界中无处不在，因此在虚拟环境中它们的存在通常也是必要的。例如，虚拟对象在触摸时可以产生声音。该声音的声学特性包括空间位置，音色，音高和强度。声音可以以非常不同的方式使用，以将信息传达给多模式虚拟环境的用户。通过提供在现实世界交互中体验的声音反馈，它可以帮助使虚拟交互自然。例如，当探索虚拟对象时，用户可以在其上打勾以从声音判断对象的大小，它的材料和可能存在的杂质，如玻璃物体中的裂缝。此外，当在表面上移动手指时，声音水平及其音色可能会根据表面粗糙度而改变，并且以类似的方式，声音质量可能会根据移动速度而改变。
使用声音的另一种方法不是集中于使交互更自然，而是使用更抽象的声音来传达有关被调查对象的某些属性的信息。使用声音来表示数据的定量属性被称为“声化” [8]。更确切地说，超声处理被定义为使用非语音音频来传达信息。它还被定义为为了促进通信或解释而将数据关系转换为声学信号中的感知关系。如果要表示的属性与某些用户动作相关联，例如指向或触摸特定位置，则声音生成过程也称为“交互式声波化” [9]。如果其他感官（如视觉系统）已经被其他任务占用，则声学模态的使用尤为重要。另外，因为人类听觉系统能够从所有方向听到声音，所以使用声音来传输信息不需要直接关注显示器，例如数据视觉化。如果信息流是同步的，则时空域上的视觉和听觉信息的重叠导致感觉冗余，增强了两个信号的感知。例如，具有3D声音提示的图形场景看起来比没有相关声音的相同场景更清晰。通过实验研究了这两个通道的相互作用程度和互补性，结论是信号的相互作用和复杂性越高，[10]。
第三节
多模环境描述
本章介绍了SATIN系统，它集成了声音和有形界面，用于形状评估和修改。
A.有形界面和可视化系统
触觉接口在几个应用领域中越来越流行，并且越来越广泛地用于面向操作的应用程序[2]。一个应用领域与工业设计领域的产品设计有关。计算机辅助设计工具支持设计师代表概念和想法，但现在仍然是技术性的，缺乏直观的用户界面。已经提出了触觉接口作为新的交互工具，更加面向满足设计者的能力和技能并支持他们的技能。一个示例是基于触觉技术的系统，用于生成和评估用于美学目的的数字形状。该系统是在欧洲TnD项目的背景下开发的[11]。已经启动了一个新项目，旨在开发基于产品设计触觉界面的新工具。该项目的目标之一是研究和开发形状评估的触觉界面，面向模型制作者和造型师。这些人习惯于触摸和感受产品表面，以检查和评估其质量。为了构建能够在虚拟环境中执行相同操作的工具，我们需要使用“触摸和感觉”方法渲染形状的几何特征，例如曲率和形状不连续。这个新系统正在欧洲项目SATIN的框架内开发 - 声音和有形接口，用于新产品设计[12]。SATIN项目的目标是开发和测试创新的界面，用于探索和评估，并通过自由交互修改数字形状，从而利用设计师现有的技能。该项目基于新的多模态交互范例，其中视觉，触觉和声音模态融合在一起，以便为设计者提供有关形状属性的信息，以响应评估和修改活动。SATIN系统由MR环境组成，用户可以在其中看到3D形状，触摸这些形状，并通过声音探索其多种几何属性。该系统将包含一个有形的界面，允许评估，控制和修改形状。为了“感觉”形状，用户在概念上将磁带倾斜在虚拟对象表面上。界面将按以下方式操作。磁带沿着线与表面相切，并沿着探索轨迹物理地创建有形路径。用户将手放在磁带上通过触觉反馈感受并感知形状，并且通过声音，他还可以感知表面特性，例如曲率数据或曲率的不连续性。为了生成/修改形状，在概念性地将磁带倾斜在物体表面上之后（就好像它是金属样条），用户还可以操纵磁带末端以在力反馈控制回路下使对象的整体形状变形。可以模拟物体的物理材料，例如粘土，或某些几何约束，例如以惩罚场的形式。[13]。投影仪位于相对于触觉系统位于背面上方和背面的位置。该位置允许用户站在可视化系统的前面而没有用他的头部产生阴影的问题，从而遮挡投影仪投影的图像。图1显示了可视化系统的操作原理。可以看到触觉设备的位置及其工作空间。触觉系统（D）位于可视化系统下方。从投影仪出来的立体声图像（C.）被反射在位于布局（G）顶部的镜子上。图像被直接投射到顶部投影平面，该投影平面是预先成角度的背投屏幕（H），以便校正失真的图像。由于半镀银镜（I），用户可以在虚拟平面中看到创建3D图像的镜像图像。这种配置提供了良好的图像可视化，并且还允许用户控制深度感。如果背投屏幕位于半镀银镜子附近，则用户也会感觉到附近的虚拟物体; 反过来; 如果背投屏幕远离半镀银镜子并置，则用户感觉到虚拟物体也是如此。
图。1。 SATIN多式联运系统
SATIN系统的触觉接口由连接到6DOF平台的触觉条带组成，该平台由两个FCS-HapticMaster系统组成[14]以并行配置运行。基本概念是使用作为主要用户界面的力敏感有形条带，悬挂在模拟虚拟对象的一部分的位置中的空间中。条带可以主动塑造自身以匹配所需的曲线，并通过两个Haptic Masters自动将其自身放置在工作空间中的适当位置。满足的心理物理要求是能够通过触摸来探索和修改虚拟对象的这一部分。作为一种形状探测工具，该系统代表了在完整的整个手中遇到的形状显示的极少数尝试中的一种，但是其限制是它仅表示通过所分析的对象的表面的平面切割。作为触觉界面，有形条带同时也是输出设备和输入设备。作为输出装置，条带是用于人手和手指触摸的探测装置。作为输入装置，条带表现为物理项目，其可以像物理弯曲样条一样用手成形。触觉条带通过连续的物理样条实现，该样条通过沿其长度的九个等距相对致动器致动成所需形状（图2）和用于获得所需方向的补充方法。由于通过使连续的材料条变形不可能再现相应形状的准时不连续性，因此有必要研究用于传达该信息的替代模式。
图2。 连接到两个FCS-HapticMaster的触觉可变形条带的概念视图
B.触觉技术的限制
我们可以在现有技术和技术的基础上构建的触觉界面是有限的; 具体而言，我们无法通过这些接口表示所有曲率域和几何特征。由于虚拟表示并不总是与现实一样好，因此一些研究表明，多模态有助于补偿，整合和增强信息。SATIN的目标不是开发一个与真实环境完全相同的环境，而是我们打算提供以直观的方式执行相同任务的可能性，尽可能地利用用户的技能。在之前的研究中调查的信息整合和补偿方法涉及触觉幻觉[15]。这种做法基本上包括欺骗用户关于某些触觉/动觉特征的感知，这些特征无法通过当前技术模拟，通过一些其他感官信号。通常，视觉信号在触觉信号方面被认为是主要的，因此被用于欺骗用户的感觉。我们有兴趣研究声音如何用于提供有关无法渲染的表面的信息，给定实际的技术限制，通过其他感官（例如，曲线形状的不连续）以及可以通过探索感知。声音还可用于传达关于某些参数的定量值，例如不连续程度。我们打算用于传达信息的声音的使用并非基于真实情况（实际上，这种现象并不存在）; 此外，当前的建模系统不使用声音来提供有关形状特征的信息。
C.声音界面
SATIN项目的特定要求是向用户呈现与交互对象的表面有关的曲
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