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虛擬現(xiàn)實(shí)寶典:以人為本的VR設(shè)計(jì) 讀者對(duì)象:虛擬現(xiàn)實(shí)的從業(yè)人員,高校及研究院的人員
全面系統(tǒng)深入地介紹虛擬現(xiàn)實(shí)的理論與實(shí)踐,涵蓋了VR簡(jiǎn)史,體感設(shè)計(jì)、內(nèi)容設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)以及可能的負(fù)面效果等各個(gè)層面,集理論與實(shí)踐于一體。
Jason Jerald,高級(jí)工程師,擁有近30年VR設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),參與過(guò)包括世界五百?gòu)?qiáng)在內(nèi)的30家企業(yè)的60多個(gè)VR項(xiàng)目;同時(shí)是Principal Consultant at Next Gen Interactions的聯(lián)合創(chuàng)始人。
劉冠宏,目前就職于同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)意學(xué)院,擔(dān)任助理教授一職。博士就讀于清華大學(xué)美術(shù)學(xué)院和清華大學(xué)未來(lái)實(shí)驗(yàn)室。本科和碩士分別畢業(yè)于中央美術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)院和清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系。近年來(lái),在藝術(shù)、科技與人文相融合視角下展開了一系列研究與創(chuàng)作,包括傳統(tǒng)工藝數(shù)字化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法與實(shí)踐、面向視障人士的無(wú)障礙交互技術(shù)。已在人機(jī)交互頂級(jí)國(guó)際會(huì)議(CHI、IMWUT)上發(fā)論文十余篇,授權(quán)多項(xiàng)專利,并具有廣泛的參展經(jīng)歷。其博士論文被評(píng)為清華美院優(yōu)秀學(xué)位論文。
概述 1
0.1 本書涵蓋的內(nèi)容 2 0.2 本書未涵蓋的內(nèi)容 3 0.3 本書適合哪些讀者 3 0.4 如何閱讀本書 3 0.5 七部分內(nèi)容的綜述 4 第一部分 簡(jiǎn)介與背景 1 虛擬現(xiàn)實(shí)是什么 7 1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)的定義 7 1.2 虛擬現(xiàn)實(shí)是溝通 8 1.2.1 直接溝通 8 1.2.2 間接溝通 9 1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)擅長(zhǎng)什么 9 2 虛擬現(xiàn)實(shí)的歷史 11 2.1 19世紀(jì) 11 2.2 20世紀(jì) 13 2.3 21世紀(jì) 20 3 各種現(xiàn)實(shí)的概述 21 3.1 “現(xiàn)實(shí)”的形式 21 3.2 現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 22 3.2.1 視覺顯示器 23 3.2.2 聲音 26 3.2.3 觸覺 27 3.2.4 運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 29 3.2.5 跑步機(jī) 30 3.2.6 其他的感覺輸出 31 3.2.7 輸入 31 3.2.8 內(nèi)容 31 4 沉浸感、臨場(chǎng)感和現(xiàn)實(shí)的權(quán)衡 32 4.1 沉浸感 32 4.2 臨場(chǎng)感 33 4.3 臨場(chǎng)感的錯(cuò)覺 34 4.4 現(xiàn)實(shí)的權(quán)衡 36 4.4.1 恐怖谷 36 4.4.2 保真度連續(xù)集 37 *5 基本:設(shè)計(jì)指南 39 5.1 說(shuō)明和背景(第一部分) 39 5.2 虛擬現(xiàn)實(shí)是溝通(1.2節(jié)) 39 5.3 對(duì)各種現(xiàn)實(shí)的概述(第3章) 40 5.4 沉浸感,臨場(chǎng)感和現(xiàn)實(shí)的權(quán)衡 (第4章) 40 第二部分 感知 6 主觀和客觀現(xiàn)實(shí) 44 6.1 現(xiàn)實(shí)是主觀的 44 6.2 感知錯(cuò)覺 46 6.2.1 2D錯(cuò)覺 46 6.2.2 邊界完成錯(cuò)覺 47 6.2.3 盲點(diǎn) 48 6.2.4 深度錯(cuò)覺 49 6.2.5 月亮錯(cuò)覺 50 6.2.6 殘影 51 6.2.7 移動(dòng)錯(cuò)覺 52 7 感知模型和感知過(guò)程 54 7.1 遠(yuǎn)端刺激和近端刺激 54 7.2 感覺和感知 55 7.2.1 整合 55 7.3 自下而上和自上而下的過(guò)程 55 7.4 傳入和傳出 56 7.5 迭代感知過(guò)程 56 7.6 潛意識(shí)和意識(shí) 58 7.7 本能的、行為的、反射的、情感的 過(guò)程 58 7.7.1 本能過(guò)程 59 7.7.2 行為過(guò)程 59 7.7.3 反射過(guò)程 59 7.7.4 情感過(guò)程 60 7.8 心智模型 60 7.9 神經(jīng)語(yǔ)言規(guī)劃 61 7.9.1 NLP交流模型 62 7.9.2 外部刺激 62 7.9.3 過(guò)濾器 63 7.9.4 內(nèi)部狀態(tài) 64 8 感知模態(tài) 65 8.1 看 65 8.1.1 視覺系統(tǒng) 65 8.1.2 亮度和明度 68 8.1.3 顏色 70 8.1.4 視敏度 71 8.1.5 眼動(dòng) 73 8.1.6 視覺顯示 75 8.2 聽 76 8.2.1 聲音的屬性 76 8.2.2 雙耳信息 77 8.2.3 語(yǔ)音感知 78 8.3 觸摸 79 8.3.1 振動(dòng) 79 8.3.2 紋理 80 8.3.3 被動(dòng)觸摸與主動(dòng)觸摸 80 8.3.4 疼痛 80 8.4 本體感覺 81 8.5 平衡和物理運(yùn)動(dòng) 81 8.6 嗅覺和味覺 82 8.7 多模態(tài)感知 83 8.7.1 視覺信息和前庭信息相互補(bǔ)充 84 9 空間與時(shí)間的感知 85 9.1 空間感知 85 9.1.1 外中心和自我中心判斷 86 9.1.2 分割我們周圍的空間 86 9.1.3 深度(景深)感知 87 9.1.4 測(cè)量深度感知 94 9.1.5 虛擬現(xiàn)實(shí)中空間感知的挑戰(zhàn) 94 9.2 時(shí)間感知 95 9.2.1 時(shí)間分析 95 9.2.2 大腦和時(shí)間 95 9.2.3 感受時(shí)間的流逝 96 9.2.4 閃爍 98 9.3 運(yùn)動(dòng)感知 98 9.3.1 生理 99 9.3.2 物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)和主體相對(duì)運(yùn)動(dòng) 99 9.3.3 光流 100 9.3.4 運(yùn)動(dòng)感知因素 100 9.3.5 誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng) 101 9.3.6 表觀運(yùn)動(dòng) 101 9.3.7 運(yùn)動(dòng)連貫性 103 9.3.8 運(yùn)動(dòng)拖影 103 9.3.9 生物運(yùn)動(dòng) 104 9.3.10 相對(duì)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺 104 10 知覺穩(wěn)定性、注意力和行為 106 10.1 知覺恒常性 106 10.1.1 大小恒常性 107 10.1.2 形狀恒常性 107 10.1.3 位置恒常性 108 10.1.4 亮度和顏色恒常性 108 10.1.5 響度恒常性 109 10.2 適應(yīng) 109 10.2.1 感官適應(yīng) 109 10.2.2 知覺適應(yīng) 109 10.2.3 負(fù)面后遺癥 111 10.3 專注 111 10.3.1 有限的資源和過(guò)濾 112 10.3.2 引導(dǎo)注意 113 10.4 行為 116 10.4.1 行為與感知 116 10.4.2 鏡像神經(jīng)元系統(tǒng) 117 10.4.3 導(dǎo)航 117 *11 感知:設(shè)計(jì)指南 119 11.1 主觀和客觀現(xiàn)實(shí)(第6章) 119 11.2 感知模型和感知過(guò)程(第7章) 119 11.3 感知模態(tài)(第8章) 120 11.4 空間與時(shí)間的感知(第9章) 120 11.5 知覺穩(wěn)定性、注意力和行為 (第10章) 121 第三部分 健康危害 12 暈動(dòng)癥 125 12.1 場(chǎng)景移動(dòng) 125 12.2 暈動(dòng)癥和相對(duì)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺 126 12.3 暈動(dòng)癥病理 126 12.3.1 感官?zèng)_突原理 126 12.3.2 進(jìn)化理論 127 12.3.3 姿態(tài)不穩(wěn)定理論 127 12.3.4 靜止參考系假設(shè) 128 12.3.5 眼動(dòng)理論 129 12.4 暈動(dòng)癥的統(tǒng)一模型 130 12.4.1 世界的真實(shí)狀態(tài) 130 12.4.2 感官輸入 131 12.4.3 中央處理區(qū) 131 12.4.4 狀態(tài)判斷 131 12.4.5 動(dòng)作 131 12.4.6 預(yù)判和反饋 131 12.4.7 運(yùn)動(dòng)的心理模型 132 13 視疲勞、痙攣和副作用 133 13.1 視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突 133 13.2 遮蔽顯示沖突 133 13.3 閃爍 134 13.4 副作用 134 13.4.1 重新適應(yīng) 134 14 硬件挑戰(zhàn) 136 14.1 身體疲勞 136 14.2 頭戴適配 137 14.3 受傷問(wèn)題 137 14.4 衛(wèi)生問(wèn)題 138 15 延遲 140 15.1 延遲的負(fù)面作用 140 15.1.1 視敏度弱化 140 15.1.2 弱化表現(xiàn) 141 15.1.3 體驗(yàn)感中斷 141 15.1.4 負(fù)面訓(xùn)練效應(yīng) 141 15.2 延遲閾值 141 15.3 感官延遲:暗適應(yīng)的機(jī)能之一 142 15.4 延遲源 143 15.4.1 動(dòng)作追蹤延遲 144 15.4.2 應(yīng)用程序延遲 145 15.4.3 渲染延遲 145 15.4.4 顯示延遲 145 15.4.5 同步延遲 148 15.5 時(shí)間分析 148 15.5.1 延遲測(cè)量 149 16 度量不適感 150 16.1 肯尼迪模擬疾病問(wèn)卷表 150 16.2 姿態(tài)穩(wěn)定性 151 16.3 生理測(cè)量 151 17 導(dǎo)致負(fù)面作用的影響因素總結(jié) 152 17.1 系統(tǒng)因素 153 17.2 用戶個(gè)人因素 154 17.3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)因素 157 17.4 沉浸感和暈動(dòng)癥 158 *18 減少不良影響的案例 159 18.1 適應(yīng)優(yōu)化 159 18.2 外界穩(wěn)定信息 159 18.3 把世界場(chǎng)景當(dāng)成一個(gè)物體來(lái)控制 160 18.4 先導(dǎo)標(biāo)記 161 18.5 盡量減少視覺加速度和旋轉(zhuǎn) 161 18.6 棘輪轉(zhuǎn)動(dòng) 162 18.7 延遲補(bǔ)償 162 18.7.1 預(yù)測(cè) 162 18.7.2 后期渲染技術(shù) 162 18.7.3 延遲補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題 163 18.8 運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 163 18.9 舒緩猩猩臂 163 18.10 邊界警示網(wǎng)格和淡出 164 18.11 藥物 164 *19 減少健康危害的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 165 19.1 硬件 165 19.2 系統(tǒng)校準(zhǔn) 166 19.3 減少延遲 166 19.4 通用設(shè)計(jì) 167 19.5 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 167 19.6 交互設(shè)計(jì) 168 19.7 使用 169 19.8 度量不適感 170 第四部分 內(nèi)容創(chuàng)作 20 內(nèi)容創(chuàng)作的高級(jí)概念 173 20.1 體驗(yàn)故事 173 20.2 核心體驗(yàn) 176 20.3 概念完整性 176 20.4 格式塔組織原則 177 20.4.1 分組法則 178 20.4.2 分割原則 181 21 環(huán)境設(shè)計(jì) 183 21.1 場(chǎng)景 183 21.2 色彩和光照 184 21.3 聲音 185 21.4 采樣和混疊 186 21.5 環(huán)境導(dǎo)航輔助 187 21.5.1 標(biāo)記、軌跡和度量 189 21.6 真實(shí)世界內(nèi)容 190 21.6.1 360°全景相機(jī) 190 21.6.2 光場(chǎng)及基于圖像的捕捉/渲染 191 21.6.3 真實(shí)三維捕捉 191 21.6.4 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù) 192 22 影響行為 194 22.1 個(gè)人導(dǎo)航輔助 194 22.1.1 地圖 194 22.1.2 指南針 195 22.1.3 多重導(dǎo)航輔助 196 22.2 動(dòng)作中心 196 22.3 視野 197 22.4 虛擬現(xiàn)實(shí)中的簡(jiǎn)便與高端配置 197 22.4.1 有線虛擬現(xiàn)實(shí)和無(wú)線虛擬現(xiàn)實(shí) 197 22.4.2 移動(dòng)便攜虛擬現(xiàn)實(shí)和固定位置 的虛擬現(xiàn)實(shí) 198 22.5 角色、虛擬形象、社交網(wǎng)絡(luò) 198 *23 過(guò)渡到虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容創(chuàng)作 201 23.1 從傳統(tǒng)開發(fā)到虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā), 范式的轉(zhuǎn)換 201 23.2 復(fù)用現(xiàn)有內(nèi)容 202 23.2.1 幾何細(xì)節(jié) 203 23.2.2 平視顯示器 203 23.2.3 瞄準(zhǔn)網(wǎng)格線 204 23.2.4 手部模型/武器模型 204 23.2.5 縮放模式 205 *24 內(nèi)容創(chuàng)作:設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 206 24.1 內(nèi)容創(chuàng)作的高級(jí)概念 (第20章) 206 24.2 環(huán)境設(shè)計(jì)(第21章) 207 24.3 影響行為(第22章) 209 24.4 過(guò)渡到虛擬現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容創(chuàng)作 (第23章) 210 第五部分 交互 25 以人為本的交互 212 25.1 直覺性 212 25.2 Norman的交互設(shè)計(jì)原則 213 25.2.1 示能性 213 25.2.2 意符 214 25.2.3 約束限制 214 25.2.4 反饋 215 25.2.5 匹配 216 25.3 直接與間接的交互 217 25.4 交互循環(huán) 218 25.5 手 220 25.5.1 雙手交互 220 *26 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互概念 222 26.1 交互保真度 222 26.2 本體感覺與以本體為中心的交互 224 26.2.1 混合本體中心與外部中心的 交互 224 26.3 參考系 224 26.3.1 虛擬世界的參考系 225 26.3.2 真實(shí)世界參考系 225 26.3.3 軀干參考系 225 26.3.4 手部參考系 227 26.3.5 頭部參考系 227 26.3.6 眼部參考系 228 26.4 語(yǔ)音和姿態(tài) 228 26.4.1 姿態(tài) 229 26.4.2 語(yǔ)音識(shí)別 230 26.5 模式和流程 231 26.6 多模態(tài)技術(shù) 232 26.7 小心疾病和疲勞 233 26.8 視覺-物理沖突和感覺替代 233 *27 輸入設(shè)備 235 27.1 輸入設(shè)備特征 235 27.1.1 尺寸和形狀 235 27.1.2 自由度 235 27.1.3 相對(duì)與絕對(duì) 236 27.1.4 分離與集成 236 27.1.5 等距與等壓 236 27.1.6 按鈕 237 27.1.7 無(wú)負(fù)擔(dān)輸入設(shè)備 237 27.1.8 與物理對(duì)象完全交互的能力 237 27.1.9 設(shè)備的可靠性 237 27.1.10 觸覺能力 238 27.2 手部輸入設(shè)備的分類 238 27.2.1 接地輸入設(shè)備 239 27.2.2 非跟蹤手持控制器 240 27.2.3 跟蹤手持控制器 241 27.2.4 手部穿戴設(shè)備 242 27.2.5 裸手控制器 243 27.3 非手部輸入設(shè)備的分類 243 27.3.1 頭部跟蹤輸入 243 27.3.2 眼動(dòng)跟蹤輸入 244 27.3.3 麥克風(fēng) 245 27.3.4 全身跟蹤 245 *28 交互模式和技術(shù) 246 28.1 選擇模式 248 28.1.1 手選模式 248 28.1.2 點(diǎn)選模式 249 28.1.3 圖像-平面選擇模式 251 28.1.4 基于體積的選擇模式 252 28.2 操作模式 253 28.2.1 手操模式 253 28.2.2 代理模式 254 28.2.3 3D工具模式 255 28.3 視點(diǎn)控制模式 256 28.3.1 行走模式 257 28.3.2 駕駛模式 258 28.3.3 3D多點(diǎn)觸控模式 259 28.3.4 自動(dòng)模式 261 28.4 間接控制模式 262 28.4.1 窗口部件和面板模式 263 28.4.2 非空間控制模式 266 28.5 復(fù)合模式 267 28.5.1 點(diǎn)選與手操結(jié)合模式 267 28.5.2 微縮世界模型模式 268 28.5.3 多模態(tài)模式 270 *29 交互:設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 272 29.1 以人為本的交互(第25章) 272 29.2 虛擬現(xiàn)實(shí)的交互概念(第26章) 274 29.3 輸入設(shè)備(第27章) 277 29.4 交互模式和技術(shù)(第28章) 278 第六部分 迭代設(shè)計(jì) 30 迭代設(shè)計(jì)的哲學(xué) 285 30.1 虛擬現(xiàn)實(shí)既是藝術(shù),又是科學(xué) 285 30.2 以人為本的設(shè)計(jì) 285 30.3 通過(guò)迭代不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 286 30.4 沒(méi)有一個(gè)過(guò)程是依賴于項(xiàng)目的 287 30.5 團(tuán)隊(duì) 288 *31 定義階段 289 31.1 愿景 290 31.2 問(wèn)題 290 31.3 評(píng)估與可行性 292 31.4 高階設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 292 31.5 目標(biāo) 293 31.6 關(guān)鍵參與者 293 31.7 時(shí)間與成本 294 31.8 風(fēng)險(xiǎn) 294 31.9 假設(shè) 296 31.10 項(xiàng)目約束 296 31.10.1 項(xiàng)目約束的類型 296 31.10.2 約束難題 297 31.11 人物角色 298 31.12 用戶故事 299 31.13 故事板 300 31.14 范圍 301 31.15 需求 301 31.15.1 質(zhì)量要求 302 31.15.2 功能性需求 303 31.15.3 通用的虛擬現(xiàn)實(shí)需求 304 *32 制作階段 305 32.1 任務(wù)分析 305 32.1.1 何時(shí)進(jìn)行任務(wù)分析 306 32.1.2 如何做任務(wù)分析 306 32.2 設(shè)計(jì)規(guī)范 308 32.2.1 草圖 308 32.2.2 框圖 309 32.2.3 使用案例 310 32.2.4 類 310 32.2.5 軟件設(shè)計(jì)模式 311 32.3 系統(tǒng)注意事項(xiàng) 312 32.3.1 系統(tǒng)權(quán)衡和做出決定 312 32.3.2 硬件支持 313 32.3.3 幀率和延遲 313 32.3.4 疾病指南 313 32.3.5 校準(zhǔn) 314 32.4 模擬 314 32.4.1 分離模擬與渲染 314 32.4.2 與物理抗?fàn)?314 32.4.3 抖動(dòng)物體 315 32.4.4 飛行物體 315 32.5 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 315 32.5.1 理想的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 316 32.5.2 消息協(xié)議 317 32.5.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 317 32.5.4 決定論和局部估計(jì) 319 32.5.5 減少網(wǎng)絡(luò)堵塞 319 32.5.6 同時(shí)交互 320 32.5.7 網(wǎng)絡(luò)物理 320 32.6 原型 320 32.6.1 原型的形式 321 32.7 最終產(chǎn)品 322 32.8 交付 322 32.8.1 演示小樣 322 32.8.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝 323 32.8.3 持續(xù)的交付 323 *33 學(xué)習(xí)階段 324 33.1 溝通與態(tài)度 325 33.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)作者是特殊用戶 325 33.2 研究概念 326 33.2.1 數(shù)據(jù)收集 326 33.2.2 可靠性 327 33.2.3 有效性 327 33.2.4 靈敏度 331 33.3 構(gòu)建主義方法 331 33.3.1 小型回顧 331 33.3.2 演示 331 33.3.3 訪談 332 33.3.4 調(diào)查問(wèn)卷 332 33.3.5 小組座談 333 33.3.6 專家評(píng)估 334 33.3.7 行動(dòng)后回顧 336 33.4 科學(xué)方法 336 33.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概述 337 33.4.2 真實(shí)實(shí)驗(yàn)vs.準(zhǔn)實(shí)驗(yàn) 339 33.5 數(shù)據(jù)分析 339 33.5.1 了解數(shù)據(jù) 339 33.5.2 統(tǒng)計(jì)概念 340 *34 迭代設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)原則 344 34.1 迭代設(shè)計(jì)的哲學(xué)(第30章) 344 34.2 定義階段(第31章) 345 34.3 制作階段(第32章) 348 34.4 學(xué)習(xí)階段(第33章) 353 第七部分 未來(lái)從現(xiàn)在開始 35 虛擬現(xiàn)實(shí)的現(xiàn)在與未來(lái) 358 35.1 將虛擬現(xiàn)實(shí)售賣給大眾 358 35.2 虛擬現(xiàn)實(shí)社區(qū)文化 359 35.3 通信 359 35.3.1 新生代語(yǔ)言 359 35.3.2 符號(hào)化通信 360 35.3.3 用虛擬人類創(chuàng)造同情心 361 35.3.4 腦對(duì)腦通信 361 35.3.5 全神經(jīng)輸入和輸出 362 35.4 標(biāo)準(zhǔn)和開源 363 35.4.1 開源 364 35.4.2 平臺(tái)特定/事實(shí)標(biāo)準(zhǔn) 364 35.4.3 開放標(biāo)準(zhǔn) 365 35.5 硬件 365 35.6 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)的融合 366 *36 啟動(dòng) 367
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