英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
3D对象操纵的增强现实与虚拟现实
摘要：虚拟现实（VR）头戴式显示器（HMDs）即将成为普通用户可用的硬件商品，并可用作3D工作的工具。一些头戴式显示器包括前置摄像头，能够实现增强现实（AR）功能。除了避免与环境碰撞之外，与虚拟物体的交互也可能受到看到真实环境的影响。然而，这些影响是积极还是消极尚未被广泛研究。 对于大多数任务来说，AR是否比VR有优势是未知的。在这项工作中，我们介绍了一项用户研究的结果，在该研究中，我们比较了在任务完成时间内测量的用户性能，这些结果是在AR或VR中执行的9个自由度对象选择和转换任务中的任意一个，两者都使用3D输入设备和鼠标。结果显示在AR上的任务完成时间比VR更快。当使用3D输入设备时，与AR相比，纯粹的VR环境将任务完成时间平均增加了22.5％（p lt;0.024）。令人惊讶地，使用鼠标时出现类似的效果：使用者在VR比AR的时间慢大约17.3％（P lt;0.04）。鼠标和3D输入设备分别在每种情况下（AR或VR）任务完成所用的时间相近。 我们进一步发现报告的舒适度没有差异。
1 介绍：
AR和VR用户界面（UI）迄今都用于大量的任务，它们有时甚至还对比起传统的鼠标和显示器的用户界面提高用户的性能渐露头角。但是，由于两种技术的重点不同，通常所研究的任务差异很大：通常，AR研究涉及与纯虚拟环境无法执行的真实世界对象的交互。
我们的假设是，由于对空间关系有更直接的理解，即使在使用虚拟对象时，看到真实环境（在AR中）也对任务性能有显着影响。先前的研究还没有得到确凿的证据，看看实际环境（在AR中）的能力是否对任务绩效或用户满意度有任何影响。就我们所知，我们在第一个研究中，直接比较AR和VR在典型3D物体选择和放置任务设置中的性能。3D对象放置是一项非常普遍的任务，它可能会影响几乎所有3D交互任务中的任务性能。
我们要求参与者在AR和VR（图1b和1c）中都使用6DOF 3D输入设备（图1a）和传统的2D计算机鼠标（图2）执行相同的任务。该任务包括选择和转换“源”对象，以便在三维（9DOF;图3）中定位，定位和缩放一个“目标”对象。 我们涵盖了鼠标状况，以进一步阐明AR和VR性能差异的可能原因。使用3D输入设备时，用户的手和虚拟光标完美对齐，为3D交互提供额外的视觉反馈。在鼠标的情况下，唯一的额外的反馈是看到一个空的工作区，除了一般的方向感，对空间的运动空间限制以及可能的与现实世界的联系感之外，它不应该
图1.我们的研究比较了增强现实（AR）和虚拟现实（VR）中的任务性能对物体选择和转换任务的影响。（a）用三维输入设备说明增强现实条件。 （b）在AR条件下查看头戴式显示器（HMD）。 （c）在VR状态下查看HMD。
为任务表现带来很多更好的效果。另一方面，这些积极效应可能会通过增加AR
对VR的感官负荷来抵消，从而减少甚至扭转整体效应。因此，我们的实验由四个条件组成：具有3D输入设备的AR，具有3D输入设备的VR，具有鼠标的AR以及具有鼠标的VR。在每种情况下，我们询问参与者的主观舒适程度，以便发现人们是喜欢AR还是VR，或者如果使用3D输入设备会导致空中手臂运动的应力增加。
我们的研究结果显示，使用6DOF三维输入设备时，AR在VR上的性能显着提高：在VR环境中，参与者平均花费了将近22％的时间来完成任务。令我们惊讶的是，当参与者使用鼠标时，我们发现类似但减少的效果：与AR相比，VR中的任务性能降低约12％。虽然大多数参与者都表示喜欢鼠标或3D输入设备，但我们无法找到统计意义上的任何一款设备被认为使用起来更舒适。
研究意义：
我们的工作是首次提供量化的证据，说明AR工作环境在3D交互任务中是否可以胜过VR工作环境。
因为我们的任务相当普遍，所以我们的结果可以应用于需要3D对象选择和转换的其他类似应用程序。 这可能包括游戏，计算机辅助设计（CAD），甚至训练模拟。 这为制造商和研究人员提供了进一步探索AR能力的动力。
我们的研究结果进一步产生了新的研究问题，究竟是什么导致了鼠标状态的各种结果，其中AR的视觉刺激没有立即提供明显的益处。 这反过来又引起了人们的质疑，观察到一个3D输入设备的性能提高有多大是由于看到他们自己身体的视觉反馈的普遍影响以及AR的其他因素所固有的。
2 相关工作
在此之前，很少有发表的论文在同一设置下直接AR和VR。
图2.用户在鼠标状态下的插图。
Boud等人 [1]比较了几种系统作为装配任务的训练工具，包括VR和AR设置。他们发现AR性能优于几个VR变量，而这些变量反过来优于常规指令。然而，他们的AR系统被他们描述为“无上下文”。 这意味着AR图形没有在现实世界中注册，并且可以被描述为静态图形图像的平视显示器（HUD）。测量的表现是在装配真实物体时，各种AR和VR条件仅用作该任务的先前训练。 我们的工作专注于在AR或VR中使用虚拟对象进行3D交互任务。
Jones等人 [2]比较AR和VR系统对HMD人类深度感知的影响。根据以前的研究表明，虚拟现实环境中的用户一直低估深度，他们测试了AR中是否存在类似的效果。他们的结果表明，在AR中没有这种低估深度。 这表明真实环境的附加空间线索可能有助于空间理解。但是，他们的任务中不需要与虚拟对象进行交互。 此外，他们仅分析了2-8米范围内的深度估计，这远远超出了大多数任务的常规工作区域。
Cidota等人 [3]专注于严肃游戏进行了类似的研究。 他们通过简单的基于手的选择和移动任务来测量AR和VR中的主观可用性和任务性能，并在各种视觉效果（如模糊和褪色）上进行深度感知性能测量。成对的内部对象比较发现，对于平均任务表现，无论是不同的视觉效果，还是比较AR和VR，都没有统计学意义上的显着影响。 只有当他们删除除只在一个子条件下获得最佳分数的参与者之外的所有数据时，他们才发现显着差异。然而，AR或VR是否表现更好取决于视觉效果并且与测量的表现部分矛盾。
胡安和佩雷斯[4]研究了AR和VR在不同情景下的差异。 目的是让参与者接受焦虑或恐惧症引发的情况，而不是执行任务。 他们发现AR和VR在模拟的适当时刻都能有效地产生焦虑，但没有发现AR或VR在统计学上的显着优势。
Arino等人 [5]比较AR和VR直接使用自动立体显示器而不是HMD。 他们的参与者是儿童（8至10岁），他们执行的任务更像是一场游戏，儿童被要求被动地计数场景中的特定物体。孩子们只能通过围绕一个轴旋转单个基准标记来与场景互动，这会使虚拟对象旋转，以便从不同的角度看到它。 他们没有发现平均任务完成时间的显着差异，也没有发现关于经验的使用后问卷。 然而，直接比较，AR比VR更受孩子们的青睐。
图3.通过HMD看到的VR 3D输入设备条件中的任务。(a)中心处的源对象开始的3D场景，以及左侧可见的工具菜单。(b)翻译对象。(c)在旋转之后以3DOF缩放对象。(d)将物体移入目标。(e)从侧面看，揭示物体长度不正确。(f)物体位于容差阈值内。 任务完成。
Botden等人 [6]比较了两种用于腹腔镜手术模拟的系统，LapSim VR和ProMIS AR。 发现AR系统更加现实，可以获得更好的触觉反馈，并且对训练目的更有用。 然而，这项研究大多描述了两个竞争系统之间的差异。 这并不一定意味着AR和VR之间的一般差异，因为通过改进触觉等可以容易地构建更好的VR模拟器。
Sandor等人 [7]在AR和模拟半反射镜VR条件下进行了一项关于物体选择性能的用户研究。 他们通过在视频透视（VST）HMD的工作区域上显示浮动的虚拟半透明屏幕来模拟基于镜像的VR系统。 比较用户在对象选择任务上的表现，发现AR条件优于模拟VR条件。 然而，它们的状况在若干因素中不同，例如头部追踪，物体可视性和遮挡。 因此，结果并不一定表明AR在所有设置中都优于VR。
Irawati等人 [8]为下降的多米诺骨牌块创建了一个3D寓教于乐的环境，可以用作AR和VR环境。 但是，他们没有对两种方法的优缺点进行评估。
同样，Rhienmora等人 [9]创建了一个可用于AR或VR的牙科手术模拟器。 由专家牙科教官进行的初步评估表明，AR版更好地类似于真实的临床情况。 但是，只有AR版本与HMD一起使用，而VR版本则显示在2D屏幕上。 此外，没有进行定量评估。
Lee等人 [10]通过比较AR系统和不同程度的渲染现实主义的VR模拟，研究了环境的视觉现实性对搜索任务中任务执行的影响。 他们重新创造了一个真实的户外环境，并发现一些迹象表明，细节水平，纹理和照明的视觉简化可能会对任务绩效产生一些积极影响。 然而，他们的虚拟环境在几个领域中与增强环境不同，例如添加对象和植被变化。 大多数执行的任务没有显示AR和VR性能之间的显着差异。
Moller等人 [11]用手持设备上的增强现实指导系统对室内导航进行了用户研究，该设备具有另一种“VR”模式。 他们发现用户导航路径的速度比VR快15％。 此外，VR似乎比AR更强健。但是，VR模式与AR模式有很大不同。 在VR模式下，该设备可以保持在一个低角度，并允许以拖放方式手动更改预先录制的全景图像的视图方向，类似于更多全景图像查看实际VR。 这可能会对结果产生很大影响，因为参与者报告说，将设备保持在其视场（FOV）（AR模式）直立时感到既紧张又尴尬（因为他们担心路人的意见）。
Khademi等人 [12]比较基于投影仪的桌面AR与非沉浸式单视屏基于VR的关于性能的“拾取和放置”任务设计用于康复脑卒中患者。 他们使用健康受试者进行评估，发现他们在AR情况下的表现优于VR。 在这两种情况下，他们与一个物理对象进行交互。 AR或VR设备仅用于显示目标物体放置区域，这意味着在VR环境中，参与者必须从屏幕上的计算机图形进行心理变换（他们只能看到放置物体和目标区域，而不是它们的 自己的手）到他们必须执行任务的桌面上。
Bowman等人[13]探讨了使用高端VR系统模拟VR中相同或更低显示保真度的不同VR和AR系统的可能性，以便分析这些系统的特定设计因素（如视场或等待时间）的影响。他们认为现有的VR和AR系统之间的比较本质上是模棱两可的，因为任何两个系统在许多因素（如FOV，重量，形状因子等）方面会有所不同，从而无法将影响与任何单一因素分离。他们通过在仿真中重新创建真实系统的先前研究并获得类似结果，为他们的方法的可行性提供了证据。但是，由于模拟器的技术限制，例如延迟和VR中照片级渲染功能的缺乏，他们承认存在问题。我们采用相反的方式，通过使用AR系统通过人为阻挡实时视频流来模拟VR。这消除了无法充分模拟AR的局限性，同时坚持模拟一种技术与另一种技术的概念，以便隔离某些分析因素。
Howlett等人。 [14]分析了在真实环境中执行的同一物体分类任务中的任务性能和眼球运动的差异以及使用背投和触觉输入设备在相同环境下进行的VR再现。 他们发现，他们对真实的VR再现 - 尽管与原始的非常接近 - 对参与者产生了一些影响。 在虚拟现实中，人们花更长的时间来完成任务，平均注视时间更长，并且往往不预先计划下一步。 在每个任务中，VR和现实中的平均眼跳幅度是相似的。 这表明，即使在虚拟现实环境中再现真实环境的微小偏差也可能产生重大影响。 然而，由于该研究比较了两组只有四名参与者（主体间），并且没有进行测量的统计分析，所以结果可能不能推广到其他应用。
Werkhoven和Groen [15]进行了一项关于任务性能的研究，该研究的速度和准确性都在VR中的对象放置任务上进行了测量，并将手动跟踪与表格绑定输入设备进行了比较。 与本研究不同，鼠标是3D SpaceMouse。 他们发现，正确对齐的虚拟手输入隐喻表现得更好，但承认这可能受技术因素和任务设计的影响。 在他们的研究中，这项任务被严格分成了不同的子任务，首先在定位之前旋转物体。 因此，它不像一个自然的工作流程，在这个工作流程中，旋转和平移一起使用，或者交替使用以实现所需的结果。 此外，在他们的研究中使用的硬件显得过时了今天的标准，因此使用现代硬件的结果可能会有所不同。
AR比VR更重要的优势之一是能够看到自己的身体。 关于视觉空间感知的基础研究，Coello [16]回顾了大量的出版物，展示了不同深度线索的重要性，例如自己的肢体或纹理背景，以便正确理解空间。 格拉齐亚诺等人。 [17]对猴子进行神经实验，确定与看到自己手臂有关的视觉感知的关键区域。
据我们所知，没有任何先前的出版物直接比较AR和VR中的交互性能，使用完全相同的设备，设置和任务。 通过这样做，我们将关键因素（能够看到真实环境）隔离开来，并且可以为其对任务绩效的影响提供量化的证据。
3 用户研究
我们理论认为，能够查看真实环境可能会对任务绩效产生几种影响，这可能是有利或不利的。
最重要的影响是，看到自己的手的视觉反馈通常被认为有助于完成需要某种形式的手眼协调的任务。然而，在AR环境中，此反馈系统的关键特征（如遮挡，阴影或直接和间接光照效果）可能无法在物理上正确呈现。这可能会导致用户感到困惑，而不是提高性能。在我们的研究中，我们忽略了所有这些因素，并且在AR和VR条件下，这两种情况下的虚拟内容都完全相同。
另一个影响是，看到工作区域的边界可能会让用户更自信地快速自由地移动，而不用担心碰到物体。此外，它可以提供更好的方向感和减少定向障碍，这可能会减少混淆和网络病，对一些用户有所帮助。同样，当VR导致用户在运动中变得更加大胆，并且由于真实环境的消除而被减少时，这些也会产生消极的影响。
对于VR情况，很明显，虚拟环境的类型会影响任务的执行。因此，仔细考虑进行分析的策略非常重要。这些选项可以分类为（A）试图逼近VR中的真实环境; （B）创造虚构的环境;和（C）提供尽可能少的环境线索。 （A）试图捕获关于用户身体的详细信息并忠实地表示其身体; （B）基于稀疏信息（例如3D输入设备的位置）生成虚拟身
全文共6535字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14549]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
