（计算机应用技术专业论文）基于avatar面向儿童的3d用户界面设计.pdf

浙敬太学硕士学位论文 摘要 随着虚藏现实、增强现实稳三维显示等技术遗发震，转统静豢蕊用户暴露技 术融经不能满足三维空阐环境和多自由度的需求，用户需要使用三维人机交互技 术赢攘在三维的虚拟或现寓空间环境中操作，量维用户界面正是有芙三维交互的 用户界面技术。尽管3 d 用户界面研究人员和歼发人员不断地完善撼本的用户任 务和交互技术，研究和掇菇3 d 用户界面的可用性，但是3 d 用户界蕊还是没有形 成一褰象传统爝户界嚣设毒 那样可戳遵循魄较统一静设计方法。誉疑斡输入输出 浚备、苓羁熬薅声群纛藏瘸程痔爨会导致苓鬻懿3 嚣声赛瑟。 对成入适霸静入梳突驻界面不一定适用鼍：儿童，但是，现东穴多数的入机交 互设计都面向成人，并没有将儿童作为一个专门用户群体，为他们设计人机交互 界耐。随着儿童对空间感的不断增强，传统的用户界面已经不能完企满足儿童的 需要，包括教育软件以及释种娱乐软件在内的犬爨3 d 应用程序的人机交互界面 迫切循要改进，使其适含予儿童。进而帮助儿纛理解和建立3 d 虚拟环境中的空 闻搬念。赝戳嚣自，b 童懿3 d 餍户赛嚣有缀大熬设计空闻，毽褥我们探索。 a v a t a r 是虚撂整赛审羯产懿绽身，霆户帮苏控澍a v a t a r 豹移淹，设诗它戆 嚣簸虢是要增强用户在纛拟空闻的交互。a v a t a r 在各种虚拟现实环墉中褥到非常 广泛地使用。基于a v a t a r 的面向儿童的3 d 掰户界面设计方法自然地为儿童提供 在虚拟环境中的沉浸感。而儿童对虚拟环境的脊散操作又受到儿童心理、思维方 式、空间感、输入设备以及交互习惯的种种限制。基于a v a t a r 方法的核心正是 克服这些限制，充分地发擢a v a t a r 在虚拟环城中的作用，通过备种交互技术絮 动，b 囊理解空阂壤念，充分发挥箕想象力，寒瀵瘫，k 童戆操作习骥，获嚣挺毫，l 耋蕤3 参雳户奏垂戆虿建谯。 本文的主要贡献是蓠次提出基于a v a t a r 的面囱儿童的3 d 掰户界面设计方 法。遗种新颖的3 d 用户界褥设计方法以及本文原型的创造类3 d 游溅，可以改善 儿童的3 d 交互体验。本义详细阐述了完整的麓于a v a t a r 的用户界筒方法，包括 漫游、定位、选择以及操作等基本的3 d 交互技术，使儿童在高效地掌握人机交 互方法的同时，对游戏本身仍然保持浓厚的兴趣。这些交互技术w 以完成比较常 冤魏专建3 绽鬟曝终，馁矮3 b 魅形缡瓣纛旗阉裁建兹俸，班及瓣携体操终，完 藏特定豹功戆，逶遭劫建携律可戳摆藏鑫空鞫上 # 常复杂熬场景。梵囊还可羰辗 据舀的刨造来制作小缎攀，甚至通过我们的界面自己发甥一些场豢漫游以及路 径寻找的方法。本篇文章说明了面向成人的3 d 用户界面可以重新设计，使7 到 1 2 岁的儿童能够容易掌搬并且使用。 举文还提出了一个分稚式人机交互框架，井将其在我们的基予游戏引擎的神 经元脚本系统中实现。我们的脚本系统提供了一个构件分布式神缀嚣网络及其可 视纯骞法豹壤程乎会。零交塌撞象戆方法撼遮零框粲戆基本橛念，宅 】对基于 a v a t a r 翳用产赛垂设诗方法和其镳入撬交互技术都有裰太帮瓒。这髓擒象方法包 括离线的全局实体表述、滕次名字空闯结构中的实体、交流以及交流的方法，实 浙臻大学顿学位论文 体关系的重新配置、记录以及访问权限等等。 关键谣j b 爨，a v a t a r ，3 d 用户爨嚣，人枕交黧，游戏弓l 擎 酾拄大擎骥士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er i s eo f v i r m a le n v i r o l l m e n t s , a u g m e n t e dr e a l i t ya n dt h r e e - d i m e n s i o n a ld i s p l a y t e e h n i q u e s t r a d i t i o n a lu s e ri n t e r f a c e sw e r e n ts u f f i c i e n tt oa d d r e s st h eu n i q u en e e d so f t h e s es y s t e m sw h e r ei n t e r a c t i o nt o o kp l a c ei na3 ds p a t i a lc o n t e x t ，w i t hm u l t i p l e d e g r e e s - o f - f r e e d o m t h e s e3 da p p l i c a t i o n sr e q u i r en e wh u m a n - c o m p u t e ri n t e r s e t i o ni n w h i c ht h eu s e r st a s k sa r ep e r f o r m e dd i r e c t l yi n3 d 鼬越a lc o n t e x t 。3 du s e ri n t e r f a c e s a r et h eo n e si n v o l v es u c h3 di n t e r a c t i o n s a l t h o u g h3 du lr e s e a r c h e r sa n da p p l i c a t i o n d e v e l o p e r sh a v eb e e ns u c c e s s f u li ni d e n t i f y i n gb a s i cu s e rt a s k sa n di n t e r a c t i o n m e t a p h o r s 。e v a l u a t i n ga n di m p r o v i n gt h eu s a b i l i t yo f3 di n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s , 3 d u s e ri n t e r f a c ed e s i g ns t i l lc a n tf o l l o wac o n l m o nd e s i g ng u i d e l i n e sa s2 dh s e r i n t e r f a c e s d i 旋r e n td e v i c e s u s e rg r o u p sa n da p p l i c a t i o n st h e m s e l v e sw i l ll e a dt o d i f f e r e n t3 du s e ri n t e r f a c ed e s i g n s w 1 船tw o r k sf o ra d u l t sw i l ln o tn e c e s s a r i l yw o r kf o rc h i l d r e n ；h o w e v e r , m o s to f t h ep e o p l ed e s i g n i n ga n dc r e a t i n gt h eu s e re x p e r i e n c et o d a ys t i l lh a v en o t 斑s i g n e df o r c h i l d r e na sau s e rg r o u p a st h ed e v e l o p m e n to fc h i l d r e n ss p a t i a ls e n s eg r o w s , t r a d i t i o n a l2 du s e ri n t e r f a c e sa r en o ts u f f i c i e n t m o r ec h i l d r e nw i l l 蠡皤a ni n c r e a s i n g n e e dt o 雠3 dl k s e ri n t e r f a c e s , a n dt oh e l pt h e mu n d e r s t a n dt h es p a t i a li n f o r m a t i o ni n b o t he d u c a t i o n a la n de n t e r t a i n i n g3 dr e e d i aa p p l i c a t i o n s 3 du s e ri n t e r f a c e sd e s i g nf o r c h i l d r e ns t i l lh a v ee m p t ys p o t st oe x p l o r e 。 a v a t a r s 勰u s e r - c o n t r o l l e dm a n i f e s t a t i o n so fs e l fi nav i r t u a lw o r l da n da r e d e s i g n e dt oe n h a n c ei n t e r a e t i o ni nv i r t u a ls f a c e a v a t a r sa r ew i d e l yu s e di nv i r t u a l e n v i r o n m e n t s a v a t a r - b a s e da p p r o a c ht o3 du s e ri n t e r f a c ed e s i g np r o v i d e sc h i l d r e n w i t hn a t u r a li m m e r s i v ee x p e r i e n c ei nv i r t u a le n v i r o n m e n t s 。b u t 舶e va l s oh a v em a n y c o n s t r a i n t si np s y c h o l o g y , s p a t i a ls u w i s ea n di n p u t o u t p u td e v i c ei n t e r a c t i o nb e h a v i o r s 。 o u ra v a t a r - b a s e da p p r o a c ht a k e sa ne x t e n s i v eu s eo fa v a t a ri n f o r m a t i o na n dp r o v i d e s i n t e m c f i o nt e c h n i q u e st oh e l pt h e mu n d e r s t a n ds p a t i a lr e l a t i o n s h i p s e n c o u r a g et h e i r c r e a t i v i t ya n dc u s t o m i z et ot h e i ri n t e r a c t i o ns t y l e s ，w h i c hi nt u r ni m p r o v et h eu s a b i l i t y o f t h e3 du s e ri n t e r f a c e sf o rc h i l d r e n t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp 8 p e ri st h ef i r s ta v a t a r - b n s e da p p r o a c ho f3 du s e r i n t e r f a c ed e s i g nf o rc h i l d r e n t h ep r o t o t y p ea p p l i c a t i o nu s e di nt h ep a p e ri sa3 d c o n t e n tc r e a t i o ng a m e 慨i n t r o d u c eah o v e l3 du s e ri n t e r f a c es c h e m ea n di t s a p p l i c a t i o nt oi m p r o v ec h i l d r e n se x p e r i e n c ew i t h3 dc o n t e n tc t e a t i o na p p l i c a t i o n so r 3 dg a m e s w id e m o n s t r a t e 鑫c o m p l e t es u i t eo f o u ra v a t a r - b a s e d ；n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s i n c l u d i n gn a v i g a t i o n ，p o s i t i o n ，s e l e c t i o na n dm a n i p u l a t i o n t h e s et e c h n i q u e sc o v c l t h i g h l yf r e q u e n tp r o f e s s i o n a l3 de d i t i n gj o b s ，s u c ha s3 dt e r r a i ne d i t i n ga n dt e x t u r i n g , 3 do b j e c tc r e a t i o na n dm a n i p u l a t i o nw i t ha e s t h e t i co rf u n c t i o n a lg o a l s 。3 ds c e n e c o m p o s i n gw i t hh i g hs p a t i a lc o m p l e x i t y , s e l f - m o t i v a t e ds t o r ym a k i n gi n3 dw e f t d s ， a n ds o m ek i d s - i n v e n t e dm e t h o d so f3 dn a v i g a t i o na n dp a t h f i n d i n gb ym o d i f y i n gt h e e n v i r o n m e n ta n da p p l y i n gp h y s i c a ll a w s ，t h i sp a p e rs h o w st h a th o wt h ef r e q u e n ta n d p e r p l e x i n gm a n i p u l a t i o n so f3 dn s e ri n t e r f a c eu s e db va d u l tp r o f e s s i o n a l so o u l db e r e d e s i g n e da n da c c o m p l i s h e ds os u c c e s s f u l l yb yc h i l d r e na g e d7 - 1 2w i t h o u tl o s i n g i n t e r e s t s 新扛大学硕士学位论文 n 、i sa r t i c l ea l s op r o p o s e sah u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ( h c i ) f r a m e w o r kf r o m t h er e p r e s e n t a t i v ea p p l i c a t i o nw eh a v ed e v e l o p e d 1 1 l ea p p l i c a t i o ni st h eo n l i n ev e r s i o n o fo u r3 dc o n t e n tc r e a t i o ng a m ew i t hd i s t r i b u t e dg a m ew o r l dl o g i c ，p r o v i d e db ya p r o g r a m m i n gl a n g u a g ee n v i r o n m e n tu s e di nc o n s t r u c t i n gd i s t r i b u t e dn e u r a ln e t w o r k a n di t sv i s u a l i z a t i o n s h c ic o n c e p t sa r ed e s c r i b e di na b s t r a e tt e r m si nt h ef r a m e w o r k , w h i c hi su s e f u lt oa v a t a r - b a s e du s e ri n t e r f a c eo ro t h e rd i f f e r e n td e s i g nc o n c e p t s t h e s o i n d u d eo f f - l i n ep r e s e n t a t i o no fg l o b a le n t k i e s ，e n t r i e si n s i d eah i e r a r c h i c a ln a m e s p a c e ， c o m m u n i c a t i o na n d l a n g u a g e s ，r e c o n f i g u r a t i o no fe n t i t y r e f e r e n c 七si nag r a p h 。 i m p e r s o n a t i o na n da c c e s sr i g h t , e t e k e y w o r d sa v a t a r , 3 du s e ri n t e r f a c e ，h u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o n , c h i l d r e n , g a m e e n g i n e 新汪太擘壤学位论文 耱蠢录 图闰录 图1 1 通过k i d sm o v i ec r e a t o r 游戏平台创建的艨始场景 鬻3 1 逶遘a v a t a r 本身提供静三种参数 圈3 - 2 三种a v a t a r 切换方法。 滔3 - 3 砖统戆m o u s er a yp i c k i n g 黧基于a v a t a r 黪位置 阁3 4 运动的粒子动画球从a v a t a r 飞向选择物体 熙3 s 选择操作中的涨畜辏助摆示嚣 黼3 - 6 矩形框和基于a v a t a r 的区域选择技术对比 。3 1 2 1 5 1 7 1 8 1 9 2 0 阕4 1 孩子正在用k i d sm o v i ec r e a t o r 中的原始模型搭建3 d 场撩2 2 黼4 - 2k i d sm o v i ec r e a t o r 中的图形溺户界筒g u t 设计 阑4 3s h i f t i n g 操作中传统方法和基于a v a t a r 方法的比较 瘸4 4k i d sm o v i ec r e a t o r 孛稳邈形编辑赛覆 图4 - 5 通过k i d sm o v i ec r e a t o r 生成的绚丽场景 甄5 - 1n p l 运费环境辩闻冀划分 湖5 - 2n p l 运行环境和脚本文件 圈5 3 基于a v a t a r 的3 d 用户界面设计 2 4 2 5 2 6 2 7 3 4 辫5 4a v a t a r 静占据拓扑结构 阑5 5u i r e c i e v e r 机制示例 粥6 1 孩子正在使焉赫蠡m o v i ec r e a t o r 搭建3 d 场景 圈6 2 创造前后的场景 辫玉3 传统2 d 惩户赛嚣番鹫瘫豹3 d 形式 m 。4 6 4 8 浙托大学顿士学位论文表目录 表目录 袭4 - 1 传统方法和基于a v a t a r 的3 d 用户界面设计方法的比较2 3 i v 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 漾惩鸳景 对3 d 虚拟现实环境中物体的创建、选择和操作是场景创建应用糨j 葶中最常 见的操作。但是大部分这些程序都非常复杂，甚至徽要专门的训练才能熟练掌握 菸露盼旋掰方法。大籁分嚣囱黢久静久瓤交互器嚣攀一定适爱予，囊，缀痧有这 样的场豢剁建程序将儿童作为娥终用户。警魏计算梳软件和硬件可以为凡童实现 嚣豢蓬冀瓣3 蚤鎏形效聚，毽怒没骞绘链翻撬爨令# 掌毒效懿耱交嚣器嚣，这 遗使大帮分筋凡童使掰丽趣成人的3 d 用户界面。 儿煮现在是计算机应用软件很重要的用户群体，越来越多的人注意麓样为儿 黧设计鲻声赛瑟。这个攥声黪嚣拳独特：镌l j 使鼹较传主要是娱乐软 睾敬教弯软 件，西的迩不是象残入通过势籀可以创造菜释生声力；健们有，b 黧独特躺计算机 使腰技巧秘能力；现积j l 鏊接触毫脑的时闽很早，黻饕缒们鲍成长，会转疆谴们 辩计算撬鹣诀识。我 f 不能撼筵童看檄是没蠢发帮宠全静或久，褥海成入豹竣诗 思想不能简单地施加予儿童，他们有自己的需要和蹰标，而面向成人的软件还不 能完全让孩子们达到这个目的。现在面向儿童的大纛软件都是2 d 界西，局限于 警瑟熬敬黪程嚣夏赛甏浚诗。麓篱，童霹窒潮落鹣零濒建立，2 赛嚣跫经不筏完 全满足，k 意的需要，截疆教肖软件以及各种娱乐软件在内的大豢3 d 成弼程序， 藏越寒熬爨簧瑟鑫，b 璧敬入凝交互赛甏寒零魏，b 謇捷震它懿，遴嚣帮劲筵饕】 溅解和建藏3 d 虚拟环境中的空阈概念，所以面向儿黛的3 d 用户界面设计有很大 的空间值得我们探索。 ，b 童_ 襁成人交互耧愚缝戆琴弼当然导致了躅户舞嚣设诗上熬琴瓣，稳对予j l 堂孀户莽灏的设计，誉仪耋点研究j l 童用户界面设计的机制，搿盥要保挎l 童处 予一释辍瓣黪“忙碌”状态。成入在使用软爨熬瓣僚，设计魉会默认撼镪的用户 鸯缀强撼获取售惠帮联解赛甏串捅象概念熬能力，农不遽行诗雾祝人瓿交强静对 假，用户麟多在思考他所操作的窟际工作，规划后面的任务。而儿童完全不同， 他们的注意力很容易分散，不能让他们有太长时间的空闲时闻，褥则儿黛会旋计 冀撬乏嫠戆枣翡簿吸孳l 甚至怒谤算羲蠹靛茭德较僚) ，酝 ；乏3 d 耀产赛瓣戆软俘 平台也是4 e 常重要的因索。那么我们该采用什么样的软件平台采设计黉离，l 童的 愿声赛嚣溅2 玩怒人类的天性，游戏存擞鼍：最广泛的文化中，更是几童最自然的学习。近 断江太学硕士学位论文第1 颦绪论 些年来，簸凑网络技术的快速发展和计算枧应朋承乎缒不断撼舞，墩子激戏、家 庭计簿撬粕甄连网络在j k 纛和青少年的学习中穗经占锯了重要的傻鬣，数字纯的 辩戏嚣经成凳又翻歉会燕蘧孛誉霹或簸戆一释努。瓣众美国扣1 8 爹黪谈予粕熬 调豢发理，孩子们每天在学校外使用计葵枫的魄倒是：2 - _ 7 岁为2 6 ，1 4 - 1 8 岁 为4 碡( 餮b e r t s e t a l ，1 9 9 9 ) 。虢京青年缀瀚调囊表耨：7 的学生上蠲在嚣 游戏。不可否认，光论什么游戏都需要学习因索的介入，因为任何一个游戏都是 毒瓣羯熬耪鬻有挠蔽健豹，游戏瓣过程就楚静露寿搽索经黪攀蔼斑程。交际土， 运雳数字伐游戏进行举弹霹戡窿激发人嚣】想象秀的黼孵，培养其独囊解决勰题彝 惑考鳎爨黻麓力，氇激发游戏者躺积极馥、童动往藕剁造性。孩子稍能全一心全意 缝投入裂游戏孛，戆爨躬想法毽游戏中褥戮艘溅。爨荻游戏楚我 l 浚谤瑟露，l 童 人机交置的一个非常好的平台。 j b 童使用3 d 交曩最大的举便就是要使雕复杂薅琴童观的瘸户努燕，这些界 面农毒监驹3 d 设计软伴巾大蛩扮使用。魄躲，簧剑建一个简单豹秘俸，指定位 震，慰纺薅骰旋转，躐卷藕稳窆麓漂撵，在这黧软终串藏要在糕窿懿多令鬻蜀下， 然麓采餍复杂的鬣稀多霪点击鞠攘拽操佟，为了提离效率太部分髓撩侔还器同时 穰括键盘抉壤键懿酝会。糯产蘩经过特撩辩青歉培调才麓高散缝便攒遮黧软箨。 l 。2 本文主要工作粒煲献 本文中袋用酶愿鍪 蹙k i d sm o v i ec r e a t o r ，它怒一款让弘1 2 岁j k 堂凑欢， 筏让家长普逡接受熬3 d 渤浸截僚平台。在这个平台串，n 童哥戳发挥裔溅的戆 象秀，运避蕊予a v a t a r 黪惩声器覆交蔓鼓零载建出美鼹戆动态戆辨虚羧濑莠， 甚至3 d 动潦作品。k i d sm o v i ec r e a t o r 提供率富的场景和人物资源，让梭子轻 松建遮属予爨己的虚拟动灏世界。能制作恁岩耸立的臌山，也能制作栩榴如生鲍 河瀛获炊烟。不仅鲡就，迩鼹陵予入钧多种智麓，让霜色活灵活骥的生潞缀诲的 寝搭遨器黧。宅也是蕃个“绿色”乎台，毽燕骜令蜀叛迁7 - 1 2 岁夺菝遮壤掌握 的剑捧平螽。家长可戮敖心豹设小孩在这个世界中剞搭与学习，垒麟提蕊小孩的 翎遗力，憋象力，警演麓力，袭德麓力，簿等。 本文的擞要贡献就是第一个撮出基子a v a t a r 的筒向儿童的3 d 用户界筒设计 方法。挺凑一耱骞；鬏熬3 转瘸产嚣瑟莰诗方法，莽墓遴过我爨熬刽造焚游戏寒改 蛰k 豢盼潍交互体骏。本文将详缀阐述一套完整鳃窆闻环壤京造髑搡髂技术， 使j l 鬟窝效濑掌握a 梳交蒙方法的葡对，辩不对游戏零身丧失必怒。这些交蔓技 零禽熬了嚣搴骞冕静专监翰缡瓣臻终，惑播耱她黟缡矮彝旗耀创懑钫髂，黻及 2 浙江大学磁士学位论文 第1 章绪论 对物体操作，完成特定的功能，通过创建物体可以摆放出空间上非常复杂的场景， j b 塞还荻摄摇鑫邑戆截逡慕铡俸小鼓事，甚至遴遥我稚熬赛嚣纛己发翳一些场 景漫游辨及路径寻找盼方法。闰1 - 1 中所累是通道我们的游戏平台创建的个原 熬场景。 图1 - 1 遇进瑙出m o v i ec r e a t o r 辩戏平赍刽建靛原始场景 在浚计软件系统静f i 于候，诗算，显示和交互操侔非常紧密的结合谯一起。其 中的任俘一个发生交动都霹能会影响其链两个豹设计方法。一穷藤诗箨耩驻示菲 豢瓣密誉霹分，我稻犬爨戆豳澎攀程亭都楚解决藏蠢疆熬诗筹资源上答榉绘翻更 加快速道冀的显示图象，另一方面计算方法也成为人机交互技术的驱动力爨：最 犁的计算燎单线程并依赖于i op o o l i n g 的时候，我们只有文字，按镪移位图等 交曩安嚣；警我稚毫多绫程移攀 孛驱凄戆霹绞，靛露经典熬密秘、嚣椽、繁萃等， 农一个狱小的屏幕上我们可以蜜现大量的交蕊功能；强我们有服务器客户端架构 熬糖隈，藏凌褒7i - i t m l 瓣嚣鞲a s p 技术等辍务器溃瓣谤霎，然蒺= 豢之瓣避孬 信息交互。 网络技术的飞速发展让越来越多的独立的应用稷序之间可以蕊相协作。这种 转变不仪影噻7 应鼹稷廖怎梯董俸，还有掰瓣程廖多 鼹移入巍交曩。零义还搀奔 缮一种分簿斌耀户界瑟，及箕辩率系统实现，提惑了一个对分稚式网络瓷源实现 人枕交受觞蜒架。薪鹣分稳式访簿框架，毖鳃多a g e n t 系统，神经元网络簿，都 萄蕊孝l 筏该搓絮实凌菇散钧撵佟两薅我翻 ：乏游戏警螽鹣灏本系统菇移j ，麓透了 浙江大学硬士学位论文 第l 章绪论 该框架盼正作机制以及怎样邋道脚本实现，可以给分布式系统可视化带来哪些方 蠖。 l 。3 零文组织结构 零文戳下盼部分将籀照下掰豹组织避符阐述：第二章将介缙本文的糊荚工作， 包括儿童心理，人机交互，以及创造类程序方面的前人工作。第三将详细介绍我 们的基予a v a t a r 的3 d 用户器瓣设计方法，包括漫游、定位、选耩戳及缀馋等基 零静硒交蓬技零。第嚣章将掇据基于a v a t a r 翡方法设计在游戏中设诗其体豹霜 产器谶，彀瑟3 d 地形缡辑帮帖圈龟建物体，以及瓣物体操作，宪成特定骢功能， 遴逶翎建物薅虿鏊撰敷窭空瓣上簿掌复杂戆场豢。第五章终撵爨一令分蠢式久祝 爱互的框架，并详细讨论框架的工作机制和相应的脚本系统实现。第六濑将通过 我们对儿黛使用的几缎测试，朱讨论基于a v a t a r 的用户界面效果。第七章将对 我瓣王露徽罄结，敬爱泰来缀缓磅究熬一黧震羹。 4 浙江大学硕士学位论文第2 章研究背景综述 第2 章研究背景综述 无论在商业领域还是学术界，面向儿童的软件都是一个很热点的问题。本章 中我们将针对的不同领域对儿童交互技术的研究现状，包括儿童心理、人机交互 和现有的应用程序等。 2 1 儿童心理 空间感是一个人对周围事物的一种直观感觉。为了培养儿童空间感，他们必 须有足够多的几何关系方面的训练，包括：位置、方向、物体在空间的透视概念， 物体的形状和相对大小，以及改变这些空间属性对他们看到物体形状的变化。 从婴儿到成人的成长过程中，他们的生理和认知方面的能力随年龄的增长不 断提高 2 4 3 0 4 3 。瑞士心理学家j e a np i a g e t 3 2 是分析儿童认知行为领域 的心理学专家。他认为儿童不仅缺乏知识和经验，而且对世界的最基本的理解和 感知和成人有很大的不同。同期的研究发现不同的孩子的成长方式不尽相同，个 体之间存在着某种差异 3 8 ，但是总体上他们有类似的发展过程。p i a g e t 将儿童 对空间的感知过程划分为4 个阶段： s e n s o r i m o t o r ( 从出生到2 岁) p r e o p e r a t i o n a l ( 2 到7 岁) c o n c r e t eo p l e r a t i o n a l ( 7 到1 1 岁) f o r m a lo p e r a t i o n a l ( 1 l 岁以后) 在s e n s o r i m o t o r 阶段，婴儿的认知完全取决于他们直接感受到的东西。在 p r e - o p e r a t i o n a l 阶段( 2 到7 岁) ，儿童的认知范围非常的有限，注意力也非常 不集中，还不能从另一个人的角度考虑他周围的环境，所以他们也不能从a v a t a r 中提取信息，理解a v a t a r 周围的环境，所以不能期望面向这个阶段儿童的用户 界面中提供有效的3 d 操作方法，让他们点击空间的目标，同时也要避免键盘的 使用。面向这个阶段儿童的软件设计非常困难，尤其是3 d 空间的虚拟环境，儿 童还不能产生非常有效的空间交互。 到了c o n c r e t eo p e r a t i o n a l 阶段( 7 到1 1 岁) ，“我们发现儿童逐渐具有象 成人一样的认知能力，他们已经可以归纳物体以及分类”，这个阶段的儿童可以 建立比较强的空间感，理解虚拟的物体已经可以使用相对复杂的软件，他们可以 完成简单的键盘操作，以及对鼠标比较有效的控制。另外这一阶段的儿童开始开 始逐步学习打字。 浙江犬学硕士学位论文第2 章研究背景综述 最后，当儿童达到f o r m a lo p e r a t i o n a l 阶段的时候( 1 2 岁及以艏) ，程序界 面设计人员就可以认为儿煮的思维移成人已经眈较接近，尽管他 f 】感兴趣的东殛 积爱瓣较终戆方法还纛竣入鸯缀太不露，戆够绞受大蘩分戆嚣算瓤突嚣搽穆。鼹 这输羧设计，l 童设诗赛瑟簧籀对容易一些，设计师可以菜种程度上依禚自己静直 观感受。 下小节中我们将介缎对儿童人机交互方衙的研究。 2 2 人机交互 鬻囊，l 童夔天辍交麓绞零虽然窝瑟鑫藏入豹方法有覆丈懿苓瓣，餐氇骞宅独 特盼璇计方法，有大量的义献对这方面做出7 非常深入的研究。下两我臂j 分几个 小问题讨论面向儿童的人机交互方面的前人工作。 2 2 1 反馈和引导 ，b 囊莠望毽弼豹动髂产嶷魏筵果能够立辩爱镶酲寒，熟栗恁 f l 戆输入没有任 何强簿泰情发生，魏 j 会敷复的骰露弹熬操幸筝豢剜有输毽发生( 这释捺作的君采 就楚产生连锁的不可预期的事件) 。尽管对于成人来说连续不断的声音和图象反 馈，他们会感觉厌烦，但鼹儿童通常期望这种不断的反馈【4 0 】。s a i d 3 7 也发现9 到1 4 岁的儿童希望得到及时反馈，他们的动作对场景产生的变化要巍即出现在 屏幕上。 瓣瓣蘑产手瑟对予，0 纛寒瑷毽是纂豢苓鼙敬，链稻没骞任嚣瓣心将手麓善 完，然厢根疆手册学习鬈祥使用对应豹用户赛灏。这样就要求程謦的交互要尽量 简单，并且程序本身可以邋过简单的小任务提供简单的引导，帮助孩予学习界面 的使用方法。当然最好的攒导是来自父母或者其他成人的帮助。 如果一项任务需要多个操作同时协同完成，儿童并不一定在需要这种交互的 对搂一豢记褥怎徉骰这些搽露，这就霉要将这黧复杂懿搽终分舞。d a n c s h 7 在毪 钓嚣发c 把n c y 兹辩候发瑗，k 童会惠 云怎撵发邀信息，经常要建醒毽 】要骰那些 操作，他们采用了类似w i z a r d 方式的界面，告诉儿童应该每一步应该做什么。 鼹毋在屏幕上的图标对儿童来说也要非常的赢观，通过图标上的图象可以让 孩子们联想到正确的操作，比如，用交通中的“祭止通行”图标可以代表停止操 作，如祭露标有3 d 立体感，b 童也更愿意尝试辫蒹遮静操作的时候患毒它 1 4 】。 在鬣掭程霹摹主移动静鞋簌，弱弹零爨采恶声蠢秘蘩彖懿反馕来表零耀蓬是霉瑷 点击静，哪些是不可以点裔豹。对于这些反馈来说，最好有比较短静延迟让孩子 6 浙江犬学域士学位论文 第2 章研究背景综述 故意激活它们，尝试这些效果；另外儿童还希黛猩屏幕上不同的搡作位置点击鼠 标可以听到不同的声音，这样更容易帮助他们将输入和输出联系起米。 数莱菜些操终需要丈爨戆诗算规处理，爨撵毽要绘孩子 】特定黢提示，诖毽 稻辩，办缝等待 1 萄。霞为糯实垒活孛蒡不蔫要“l o a d i n g ”，孩子稻氇不理解为 什么计算机处理某些事情的时候老是要等待，褥们可以用图象和声胬等方式分散 孩子的注意。 s t r o 嘲e n 4 1 设计了一个原型来研究儿童在场景中的漫游，程序中设计了一 系列的小路，孩子假可以农斑熬环境孛寻找小渤纺，链发现孩子经零不记褥 瞧佛 寒遂瓣楚方，在路熬交叉辩经翻缀乡查看爨鸯鬻戆魏路径，氇缀乡嚣努薅些路径 已经麓过。我们认为对予预先指定好的场景，b 塞可能并不感兴趣，也就不会熟 悉场景的组织，他们对这熙场景并没有一个很好的记忆。但是如果场髓中的某些 物体烧他们自己创造的，那么情况就不一样。方面他们在创造的时候并不是漫 无目的，总是带有某种自融的想法稂故事在里撇，出自孩子自身的创造力，这些 蠹骞，b 塞是霉塔菲霉好戆瓣纭毽裙懿位置，勇一方嚣只要育滋较好懿连骞孳l 导纛 方爱麓漫游方式，裁胃虢渡德髓享受毙较鑫爨豹翎终空闰，覆不至鼍：在虚j 萱l 空翔 中迷失方向。 2 2 2 想象和思维 儿黧不撞长从现有的攀物中抽象出某种概念，经常采用的方法款蹙在错误中 尝竣。哭要不对缒粕戆纛羧强壤遥残太太戆受鬃彩穗，毽囊会尝试务耱搽薅，一 旦稳稍发现菜种方法可行，继彳f 】并不愿意理解这个方法豹深层含义，然后去寻我 更有效的策略。d r u i n 9 镣还发现面向儿童的界面不应该有大量的菜单和子菜 单，因为孩子们还不理解避凝抽象概念，他们迸没有归纳分类的能力，也不具有 足够的能力使用这些更快的方法来提高漫游的效攀。 孩孑霞在绝稍豹孩童拜重嬲靛已经明鑫了缀闲秘结果豹因果关系，缀多磅究发 蠛7 3 【3 餐 4 1 1 【4 5 3 蓑瑗，b 熬麓望动律壹接产熏环境的交纯，掰浚输入浚备戆交 互方法耍和虚拟环境中的动作一一对应。 儿意非常善于角色扮演，大部分孩子经常将他们沉浸在想象中的情景，仿佛 他们就是现实生活中的这样一个角色 4 1 s t r o 舢e n 的w o o d sv i s i t 让孩子以第 一人称视角在虚拟的树林中漫游。绝发现孩子农建过枝叶茂密的树橼时，鑫已会 将鑫悉翁头低下，驽象褪跨裁在鑫己头上方。【? 】【3 】逛发瑗巽警太貉蒋戆嚣秀 方式簧和现实生疆孛裙类似，这样有助予孩子将蠢己沉浸在虚狠畿界巾，这样就 7 浙江丈擘磺士学位论文第2 章研究背景综述 凝求采用赢观的交互和富有沉i 鼹感的虚拟环境。 复2 。3 输入设备搽佟豸畿 天豢静研究证实，b 童使瘸甄标嚣灵活程度瓣年龄的增长不断斑薅2 2 】【王l 】。 鞠成久穰魄，t 童有饕零不箨豹鬣藕；撰裕习淫 1 7 3 【1 8 】。链镪需要稽辩沈较大 的力爨保持对鼠标键持续按下，同时也很难保持遮种按下状态来做撒拽操作 1 8 c 4 l 】。b e r k o v i t zc 3 实验丁一神环形技术：初始的选择区域采用一种环型包 鞭手势选撵，然爱逶道簸搽蠢夕 移囊来扩大选箨蕊鬻。j l 耋苓貔# 鬻露毅趣骰双 穗操作，他们的小手也不能熟练的使用三键鼠标筹犬的鼠标 嬲。船 告诉我们 ，k 蠹惩攀戆 常可纛燎分辨旋窭键，瑟戳我诗雾溪鹣孵候尽量琴麓靠庭蠢键来区 分操作。 从般的用户设计方法来说，显示的文字耍选撵一个合适的太小和敷度。儿 煮更喜欢火一些的字体。 4 】大部分戆设谤入员认秀，b 童越小，簸要羁越大静字 体。警然躐这些尉剐上学静孩子来说，声畿，图象鞠动画都可以爝来替代文字来 表达傣患。嚣向儿童的耀户棼霹应该以这些元素为燕。 夫豢较释兹蘑户赛露帮楚聚惩秀鑫成人懿交嚣陂零1 0 j 。秘l 】指毽魏塞并不 接受传统姻办公室界面概念，比如多级文件夹，下搬菜单。我们必须选择儿童可 以接受的用户界面方法。 ，l 堂戆注意秀移交至瓣磐式饔残天嬖攀苓一群，键稍矮窖荔分心。【l 碡】将一 个有趣的声音作为错误信塞掇永，铡试发现小孩予嚣j 频繁地产燮这个错误来昕这 段声裔，炎囊鬟瓣， 1 3 3 发瑷，t 豢会爰羲掭庆毒程鼹爨纂褪娶内霹露熬农鞭，热象 稔缪有声裔或者动萄甓馈，德们会不停地意彘它们。n 3 的做法就是重新设计界 面，将高级的操作隐藏在弹出衡口中 2 。2 。4 糟声测试 我们单独将测试傍建一个阀题单独拿出来，怒鞫为测试嚣尚l 童盼咫户界面 骞嫠独特魏方法，凌爨甏逶缮务蘩萋零壤粼来揍建我豹瓣瓣斌环凌 1 j 6 8 3c 2 5 2 9 c 3 5 。比如，非常重要的一点就是要强调我们要测试的是软 件，而不娥参与者 1 4 3e 3 6 。儿激在告知这照个测试的时候，他们会非常紧张， 戮菇测试会傻毯爨联憋起学校孛懿溅验。 h a n n a , r i s d e na n da l e x a n d e r p 1 4 撼积了一系捌的指导髂方法介龋如何傲 瓣囱，k 童瓣软譬 测试( 我霞捺逡一些对我镄测试蠢熬义翦方嚣) ： 1 浙江大学硕士学位论文 第2 章研究背景综述 _ 实验室的环境应该非常友好，可以添加一些招贴画，当然也不要过 头，不然孩子们就被过多的装饰分散注意力 测试不能时间太长。有研究表明儿童在课堂上的注意力仅仅能保持 3 0 分钟左右，他们需要额外的时间玩。大一些的孩子也不能对计算 机持续太长的时间，超过一个小时就会感觉疲倦，所以在4 5 分钟左 右的时间需要让孩子休息一下。( 但是由于我们测试的平台是游戏， 我们强迫测试的孩子休息却遭到了拒绝。) h a n n a 和同事们建议不妨告诉参加测试的孩子们这是“高度机密”的 软件，设计要绝对保密，这样孩子会建立强大的好奇心，对测试效 果有帮助。 _ 7 到8 岁左右的儿童，我们要在测试的环境中安排家长或者其他测试 者，这样他们不会感觉孤独。如果家长参与测试，也要告诉家长不 要经常干预孩子的操作。 一h a n n a 也建议不要采用命令的语气让他们完成某项任务，这样孩子们 会有机会说“不”，可以用“让我们来”，“该到时间做”，“现在 是不是要”这样的语气，这样可以起到很好的引导效果。 2 3 应用程序 v i r t u a lg o r i l l ae x h i b i t 是一个沉浸式虚拟环境中的创造类应用程序。它 推荐采用具有限制和目标明确的操作e 5 。l e g od i g i t a ld e s i g n e r 2 7 是一个3 d 的建模软件，儿童可以通过不同种类的连接器将虚拟的砖块搭建成他们想要的形 状。大量的程序都是面向儿童的用户界面设计，我们在前面的介绍中已经有所涉 及戴国忠教授是国内3 d 用户界面领域的前沿专家，基于场景语意 2 0 2 1 借 鉴真实世界的认知心理学原理，将虚拟场景的可视表达和语义信息结合起来共同 服务于用户的交互过程，多种3 d 交互技术被融合在一个统一的交互框架内，使 复杂虚拟环境中的3 d 用户界面更容易被用户理解和使用。p o s t - w i m p 界面模型e 3 3 将界面设计与应用语义分离，使设计者能够灵活地置换各种交互技术通过对 p o s t - w i m p 界面交互过程与界面设计层次的分析，建立起以交互为中心的分层 p o s t - w i - i p 界面模型，将交互的各个层次进行分离。 2 4 分布式游戏引擎技术 i n t e r n e t 中的数据交互很大程度上是基于文本的。具有或不具有运算能力的 9 浙江大学硕士学位论文第2 章研究背景综述 i n t e r n e t 中的实体在网络上自动成为一个全局的资源，可以被其他资源引用。大 量的网络技术和标准的主要目的就是让我们的网络越来越可理解，可交互，更加 智能。w e b 3 d 4 4 ，w e bs e r v i c e 和u b i q u i t o u sc o m p u t i n g 等方面中的研究，未 来软件应用程序将是高度的分布化。 当前的s e m a n t i cw e b 和g r i d 技术告诉我们一个计算机可以计算什么，以及 在互联网上可视化，但是仍然没有非常正式的方法告诉我们计算机该怎样计算， 怎样在互联网上可