VR交互设计（一）：虚拟世界交互起源——3DOF

VR行业潮涨潮落，蛮荒生长，各大VR厂家都在争取成为标准制定者。

从2014年 Facebook 收购 Oculus 开始算来，当前这一波VR浪潮已经持续了5年之久。

5年间VR行业潮涨潮落，经历了盛夏与寒冬，直到2019年 Oculus Quest 的发布，头盔销量、内容销量、用户口碑的爆炸式提升，才算是引领蛮荒时期的VR行业杀出一条血路。

从3DOF的 DK1、Cardboard 到6DOF的 Oculus Rift ，国内外从业者就空间定位、计算平台、交互方式等方向展开了激烈的探索与纷争。

各大厂家都希望在乾坤未定之时，在某一个领域弯道超车，成为下一个标准制定者。

一、了解3DOF

首先，我们来聊聊3DOF是什么？

所谓3DOF，就是指物体具备在X、Y、Z 三轴上旋转的能力。常规方法是使用陀螺仪来捕捉用户头部旋转，并呈现全景画面中相对应的部分，从而使用户在视觉上拥有被场景包裹的感受，实现基础的视觉沉浸。

“YAW”是指绕Y轴旋转；“PITCH”是指绕X轴旋转；“ROLL”是指绕Z轴旋转

在3DOF的VR体验中，一切观察的基点都来源于头部的视角，用户就像一个被装在电线杆上可以任意旋转的摄像头。无论你是顶天立地的壮汉还是娇小玲珑的妹子，你的视角都会被强行拉回在预设的高度——3DOF中，众生平等。

3DOF头盔无法自动捕捉用户视野高度，极少数应用可以通过手动输入数值的方式来标定一个高度

因此，3DOF头盔的弊端也随之暴露出来：

• 无法通过头部位移的微动作来调整视距（全身位移可以通过移动观察点来实现），看得见摸不着；
• 无法自动捕捉用户身高来匹配视野高度，影响沉浸感。

二、3DOF – 头部交互

3DOF的头部交互主要是通过射线投射（Ray casting）的方式来进行操作。其原理是，从标定的视野中心向正前方射出一束射线，射线与空间中的界面产生交集。

常规的交互设计中会将双目视线中央的一条线作为视中心，这样一来视中心的射线就会和界面产生交点，从而引导用户的视线落焦在相应的信息上，也就是常说的 Cursor（光标）。

双眼自带红点瞄准器，指哪打哪（仅头部瞄准时射线多数会被隐藏，只显示落点，图中射线仅用于展示）

常见的头部行为有以下几种：

• 环境感知：通过3自由度旋转来观察周边环境，标定自己的位置，感知空间；
• 获取信息：浏览环境中的信息载体和功能区域；
• 功能操作：借助Cursor+Loading完成选择、确认等具体操作。

无手柄时，常用Cursor选择+倒计时Loading的方式执行确认操作

三、3DOF – 手部交互

说完头，我们再聊聊手。

3DOF的代表产品是光学外壳+手机组合的 Google Cardboard 和 Samsung Gear VR，以及集成的VR一体机 Oculus GO（国内小米贴牌） 和国内大朋、PICO、爱奇艺等一众一体机产品。

3DOF头盔产品

这一类VR头盔主要是通过配备单手3DOF的蓝牙手柄来进行交互操作。

虽然蓝牙手柄外观形态多样，但是其主要功能大致相同。一般都会配备一个 拇指 操控具有滑动、按压功能的区域，一个 食指 操控的按键区域。

在握持状态下，这两个手指操控区的灵活性、独立性、准确性相对更强。而Oculus在未来又增加了一个中指操控区域，更将这种交互方式运用到了极致。

3DOF VR一体机标配蓝牙手柄功能

单手3DOF手柄的基础交互方式与头控相似，手柄只有三轴旋转功能，没有移动功能，并且都采用了Cursor指向的方法，来选择目标完成操作。

只是手柄交互中，由于手部转动与头部转动并不同步，因此往往会把指针射线显示出来，更加便于捕捉手柄指向的移动轨迹。

常见的手部行为有以下几种：

• 指向性操作：通过射线指针执行选择，配合圆盘或扳机键执行确认、瞄准、位移等精确操作；
• 拖拽滑动操作：通过射线指针选中一片区域，通过长按圆盘或扳机，进行拖拽操作，甚至可以实现比如钓鱼甩杆的动作；
• 功能性键值设置：游戏中的射击、跳跃、左右移动等常规游戏操作指令，以及返回、回到主界面等快捷操作指令。

手柄指针与空间内界面的响应

互动式内容中常常采用抛物线式的虚拟射线+落点标记来完成 “瞬移”操作；在虚拟空间中采用这种位移方式，可以降低晕动症的发声，但是也会降低沉浸感

以虚拟手部为圆心，通过3轴旋转模拟枪支射击；由于无法移动枪支模型的位置实现三点一线的仿真射击姿势，因此必须借助射线瞄准

模拟钓鱼的甩杆动作、模拟手势拖拽动作等交互方式

四、3DOF 交互中的障碍

在3DOF的VR设备中，基础的视觉感知、功能完成都可以被解决，但是在VR最重要的指标——沉浸感上面，还有很多障碍需要突破。

• 位移：VR中的移动大致分三种，方向键平移、跃进式瞬移、真实移动，而这三种之中，又各有优劣（后续文章会单独讨论VR中的位移）。但就沉浸感这一点上而言，真实移动无疑是最佳方式。
• 微动作：在真实情景中，每个人都有非常多的微动作，用来进一步认知当前环境。比如：抓起一颗小石子，把手凑近眼睛，同时头部微微前倾，观察这颗石子。而3DOF无法移动的缺陷，就注定用户很难通过自然的方式进一步探索虚拟世界。
• 自由度：在3DOF设备中，主要操作行为依然是单点的瞄准、点击、拖拽，在体验上更像是传统键鼠手柄的增强版，而这种方式，必然限制了内容制作者的创作空间，无法体现出VR更加丰富的交互形态。

由于这一阶段的内容方、平台方受制于硬件技术方案，难以提供令用户满意的互动性内容。

因此这一时期的平台方，大多以提供全景视频，模拟巨幕影院，3D视频等被动型内容为主。

同时，由于3DOF设备普遍成本较低，技术方案相对简单，在普及VR认知方面起到了不可忽视的作用。当然，由于很多劣质的手机VR方案，也带给用户很多负面反馈，从而对VR产生抵触心理。

众多VR产品在3DOF这条支线上走的极其迅速，却始终看不到未来。而3DOF玩家们在这个新世界里面束手束脚的探索一番后，只能怀抱着莫大的遗憾和失落，将其束之高阁。

但是他们对虚拟世界的憧憬，始终都在。

关于3DOF交互的内容就先写到这里吧，VR中其他技术点的分享会在后续文章里一一阐述。

第一次写这种类型的文章，有疏漏错误之处欢迎大家批评指正，同时也希望能和大家一起互相交流，共同探索这个全新的领域。

 

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