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引言
随着现在信息技术的飞速发展和HTC Vive、Oculus等虚拟现实穿戴设备的普及，虚拟现实技术逐渐为普通消费者所熟知，虚拟现实技术赋予了人机交互以新的内涵：体验者可以通过虚拟现实设备建立的视觉、听觉、触觉等模拟感知，感受到一个能够直接使用感官来交互的虚拟世界，体验者会融入虚拟环境成为其中的一部分，人机关系更加自然融洽。传统的基于屏幕的二维设计法则不再适用于这种新的自然交互層陸，设计师应当寻求更加合理的交互设计原则与方法来改善和优化人与计算机虚拟环境之间的关系，让体验者沉浸在虚拟世界当中，获得更加真实、亲切和轻松的虚拟体验。
镇江的焦山碑林是与西安碑林、曲阜孔庙碑林并称的中国三大碑林之一，是我国传统书法艺术的瑰宝、民族的骄傲。然而，从古至今对镇江焦山碑林书法只有片言只语的评论，缺乏系统、深入的研究，令人深为遗憾。随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实自然交互设计也成为子一项传播和推广碑林书法文化的新方式。文章选取“焦山碑林书法艺术虚拟体验”作为案例进行研究，该虚拟体验再现了焦山碑林的整体环境，以非线性沉浸交互方式，在虚拟导游模式下游览碑林陈列入口、碑刻博物馆、御碑亭、瘗鹤铭等重点展区。下文在探讨虚拟现实自然交互的内涵及设计原则的基础上，重点对“焦山碑林书法艺术虚拟体验”中的自然交互设计进行研究和探讨，提出解决方案，为虚拟现实自然交互设计的研究提供启示和帮助。
一、虛拟现实自然交互设计的内涵及设计原则
（一）虚拟现实自然交互设计概述
虚拟现实技术将传统的二维人机界面升至三维，创建了一个可以模拟真实世界自然规律和物体形态的综合环境。体验者在使用虚拟现实系统时，可以使用多种交互方式来改变系统中的事物以及事物的状态，从而实现多形式、多模态的交互。随着计算机图像分析与识別技术、机器视觉技术等的发展，涌现出许多新的人机交互方法。当前的虚拟现实系统主要是基于人和系统之间的交互，开发者通过对视觉和交互方面的设计可以提高系统的性能水平和整体系统的流畅程度。
虚拟现实的自然交互設计融合了自然交互、用户体验和情感化设计理论。自然交互理念奠定了虚拟现实自然交互理念的基础;用户体验理论促进了虚拟现实自然交互的用户体验概念的形成;情感化设计理论为虚拟现实中的用户体验（包括情感、喜好、认知、生理和心理反应、行为等）的研究与分析提供了理论依据。
综上所述，虚拟现实自然交互设计的概念可阐述如下：虚拟现实的自然交互利用体验者的行为特性和情感需求，以并行、互补的方式与虚拟现实系统进行交互;通过对音效、物品、环境、光线等视觉要素进行设计，营造更加丰富逼真的虚拟环境，给体验者以身临其境的感觉;体验者通过隐式交互以及直觉操作与虚拟现实系统进行沟通交流，可以自然有效地获取展示内容和操作流程等信息，从而全身心地沉浸到虚拟现实系统中去。
（二）虚拟现实自然交互设计的设计原则
随着人机交互技术的发展，产品的可用性日益受到人们重视。可用性是一个综合性的评测指标，它既考虑产品实用性和适用性，也考虑用户在使用过程中的心理体验和主观感受。目前，自然交互设计也存在着一些可用性问题：①使用场景：当前自然交互设计应用的领域一般是娱乐性、游戏性的产品，而工业生产、科研实验、装备制造等需要严谨性、高精度的专业类使用场景都不适用于自然交互设计。②认知差异：不同文化的背景、不同的交互方式会让用户产生认知偏差，增加了学习时间与成本。③技术限制：系统在交互的过程中有承担了部分用户工作的功能，系统如果无法对体验者的操作进行有效识别和纠正，感知到用户正确的操作意图，就不能给出正确的反馈，最终会降低用户体验的整体水平。
虚拟现实自然交互设计作为一种“以人为中心”的新的交互设计方式.与“可用性”设计标准中考虑用户在使用过程中的心理体验和主观感受的目标相吻合。因此，应遵循“可用性”的设计标准来制定虚拟现实自然交互设计的设计原则：
1.交互方式、交互流程的设定需要根据具体的产品内容而定。
2.自然交互的各个方面需要参照真实场景中的用户行为，符合人类的自然习惯。因为符合人类习惯的交互让体验者产生自然而然的亲切感和熟悉感，减少来自系统界面的干扰，从而将注意力一直集中在展示内容上。
3.外观是界面提供给体验者的直观视觉感受，颜色搭配、风格、内容、场景、导航等方面需要做到视觉上的统一，用户进行操作的方式也需要基本一致。
4.系统中关于操作、视觉相关的组件应具有易视性，在系统中显而易见。人们往往依赖于具体感知的信息作出判断，而自然交互利用实物减少了对体验者记忆的需求，创建出真实逼真的体验环境。
5.虚拟现实自然交互系统的建立需要有对应的技术支持，且这些技术的难度和成本需要符合项目的实际情况。
二、基子焦山碑林书法艺术虛拟体验的虛拟现实自然交互界面设计
以虚拟现实自然交互的设计理念为指导，遵循虚拟现实自然交互界面设计原则，文章选取“焦山碑林书法艺术虚拟体验”为案例进行自然交互设计。虚拟现实自然交互设计需要针对虚拟现实的特点，在系统设计中充分考虑用户心理感受和行为特性，对系统界面、展示内容、交互方式等方面进行全面设计。
（一）导航设计
合理的导航设计能够有效地引导体验者进入交互流程。虚拟现实系统应提供完整的导航界面，导航界面中需要设置直观形象的视觉元素，是体验者能够用丰富的交互形式对导航界面进行交互。展示内容应以非线性叙事的形式进行组织，使体验者在整体流程中能够自由地在各个部分之间切換或跳过。（如图1）是“碑林书法艺术虚拟体验”的导航界面，包括碑林入口、碑刻博物馆、御碑亭、痙鹤铭及返回主页。
自然交互的界面设计原则可应用在“焦山碑林虚拟体验”的导航界面设计上。体验者可以点击（如图1）左侧图标进入不同的场景。背景场景会随着体验者的头部移动或转动而显示极为真实的环境，展现出3D的效果。单击选中图标会有动画播放，视觉效果丰富多彩.能够带给体验者强烈的感官感受，体现出虚拟现实独有的沉浸感、交互感，激发体验者的兴趣，促进人机之间形成自然匹配，从而使交互自然、高效地进行。 （二）虚拟场景设计
虚拟场景是虚拟现实系统的基础环境，主要包括整体自然环境和交互载体两部分：整体环境是指建筑、地形、房间、植被等与虚拟现实交互操作无直接相关的事物，营造环境真实感从而提升体验者的沉浸感受;交互载体是指体验过程中所用的碑刻、毛笔等交互媒介，在设计时需要考虑整体场景中物体的建模、位置摆放、体验者的视角与观察角度等问题，使整体场景更加和谐统一。
虚拟场景的环境、交互载体模型的色彩设计以及环境布置等要以真实焦山碑林环境为基础进行仿真再现，为体验者创造一个近乎真实的虚拟场景，有助于体验者运用已有的认知使用虚拟现实系统。
（如图2）是“碑林书法艺术虚拟体验”的虚拟场景。整体环境由建筑、天空、道路、碑刻、植物等组成，构造出具有情境性的三维虚拟场景。交互载体包括碑刻、字帖、毛笔、纸扇、放大镜等。所有模型的色彩、外形、比例、材质与真实场景中的实物基本相同，并目都可以通过点击和触碰激光线等进行交互，体现出良好的真实性和互动陸。例如：激光线可以实现桌门的开闭、放大镜可以放大远处的场景等。虚拟现实系统的信息输出形式是多样的，与体验者交互的形式也是多样化的，因此，可根据虚拟场景中物品材质的不同添加对应的声音，创设更为真实的虚拟环境。例如：碑刻的摆放，门的闭合和开启，纸扇的打开与折叠等。
（三）交互载体提示设计
提示是虚拟现实系统的重要构成元素，在操作过程中随处可见，其主要功能体现为对交互操作信息的提示和操作步骤的指导，既能减少对操作者记忆的需求，又能给操作者带来明确的方向感。
虚拟现实系统中设置了多种提示标志，系通过通过语音播报和图像变換两种方式，对刚进入系统的体验者进行初步介绍并提供基本的有关信息。提示标志将会全程伴随体验者完成操作，并在体验的过程中提供操作指导，使体验者在不受打扰的情况下获取提示信息，帮助体验者简单有效地完成交互行为和信息获取（如图3）所示。
（四）交互载体反馈设计
在以往的虚拟现实交互设计中，系统会不断地弹出对话框等提示信号用于反馈，这些反馈信号能够吸引体验者的注意力，但是在交互流程中信号反复出现这样的提示信号容易使体验者产生厌烦情绪，影响整体的体验效果。在虚拟现实自然交互设计中，可以通过色彩、声音、振动反馈给予体验者适当的暗示，让体验者能够自然地从系统中获取信息（如图4）所示。
例如：当体验者进入书法临摹体验区时，虚拟現实系统会模拟真实的情景中的情况，模拟出书页翻页和毛笔与宣纸接触的声音。当体验者将激光线移动至书页上时，书页会高亮显示，体验者可以点击书页进行翻页操作，毛笔接触砚台时可以更换宣纸重新开始临摹。这种模拟真实情景的反馈，可以让体验者感受到与真实情景相似的体验，有利于完善体验者的交互体验。
综上所述，虚拟现实自然交互设计满足了体验者的感官体验，并有效融入了碑林书法本身承载的文化内涵，具体体现在：通过对系统视觉、听觉等感官方面的设计给予体验者丰富的感官体验，激发体验者的探索兴趣，使体验者能够积极地参与交互;通过及时准确、人性化的提示和自然的反馈设计使体验者在体验过程中能够将注意力集中于展示内容上，自然完成体验。
结论
传播和推广传统书法文化的方式随着科学技术的发展已上升到一个新的高度，虚拟现实技术为传统书法文化的传播提供了先进的方法，使得焦山碑林书法艺术虚拟体验成为可能，具有较好的应用前景。大力加强虚拟现实技术的应用，是传统书法文化领域可持续发展的重要工作。
随着现在信息技术的飞速发展和HTC Vive、Oculus等虚拟现实穿戴设备的普及，虚拟现实技术逐渐为普通消费者所熟知，虚拟现实技术赋予了人机交互以新的内涵：体验者可以通过虚拟现实设备建立的视觉、听觉、触觉等模拟感知，感受到一个能够直接使用感官来交互的虚拟世界，体验者会融入虚拟环境成为其中的一部分，人机关系更加自然融洽。传统的基于屏幕的二维设计法则不再适用于这种新的自然交互層陸，设计师应当寻求更加合理的交互设计原则与方法来改善和优化人与计算机虚拟环境之间的关系，让体验者沉浸在虚拟世界当中，获得更加真实、亲切和轻松的虚拟体验。
镇江的焦山碑林是与西安碑林、曲阜孔庙碑林并称的中国三大碑林之一，是我国传统书法艺术的瑰宝、民族的骄傲。然而，从古至今对镇江焦山碑林书法只有片言只语的评论，缺乏系统、深入的研究，令人深为遗憾。随着虚拟现实技术的发展，虚拟现实自然交互设计也成为子一项传播和推广碑林书法文化的新方式。文章选取“焦山碑林书法艺术虚拟体验”作为案例进行研究，该虚拟体验再现了焦山碑林的整体环境，以非线性沉浸交互方式，在虚拟导游模式下游览碑林陈列入口、碑刻博物馆、御碑亭、瘗鹤铭等重点展区。下文在探讨虚拟现实自然交互的内涵及设计原则的基础上，重点对“焦山碑林书法艺术虚拟体验”中的自然交互设计进行研究和探讨，提出解决方案，为虚拟现实自然交互设计的研究提供启示和帮助。
一、虛拟现实自然交互设计的内涵及设计原则
（一）虚拟现实自然交互设计概述
虚拟现实技术将传统的二维人机界面升至三维，创建了一个可以模拟真实世界自然规律和物体形态的综合环境。体验者在使用虚拟现实系统时，可以使用多种交互方式来改变系统中的事物以及事物的状态，从而实现多形式、多模态的交互。随着计算机图像分析与识別技术、机器视觉技术等的发展，涌现出许多新的人机交互方法。当前的虚拟现实系统主要是基于人和系统之间的交互，开发者通过对视觉和交互方面的设计可以提高系统的性能水平和整体系统的流畅程度。
虚拟现实的自然交互設计融合了自然交互、用户体验和情感化设计理论。自然交互理念奠定了虚拟现实自然交互理念的基础;用户体验理论促进了虚拟现实自然交互的用户体验概念的形成;情感化设计理论为虚拟现实中的用户体验（包括情感、喜好、认知、生理和心理反应、行为等）的研究与分析提供了理论依据。
综上所述，虚拟现实自然交互设计的概念可阐述如下：虚拟现实的自然交互利用体验者的行为特性和情感需求，以并行、互补的方式与虚拟现实系统进行交互;通过对音效、物品、环境、光线等视觉要素进行设计，营造更加丰富逼真的虚拟环境，给体验者以身临其境的感觉;体验者通过隐式交互以及直觉操作与虚拟现实系统进行沟通交流，可以自然有效地获取展示内容和操作流程等信息，从而全身心地沉浸到虚拟现实系统中去。
（二）虚拟现实自然交互设计的设计原则
随着人机交互技术的发展，产品的可用性日益受到人们重视。可用性是一个综合性的评测指标，它既考虑产品实用性和适用性，也考虑用户在使用过程中的心理体验和主观感受。目前，自然交互设计也存在着一些可用性问题：①使用场景：当前自然交互设计应用的领域一般是娱乐性、游戏性的产品，而工业生产、科研实验、装备制造等需要严谨性、高精度的专业类使用场景都不适用于自然交互设计。②认知差异：不同文化的背景、不同的交互方式会让用户产生认知偏差，增加了学习时间与成本。③技术限制：系统在交互的过程中有承担了部分用户工作的功能，系统如果无法对体验者的操作进行有效识别和纠正，感知到用户正确的操作意图，就不能给出正确的反馈，最终会降低用户体验的整体水平。
虚拟现实自然交互设计作为一种“以人为中心”的新的交互设计方式.与“可用性”设计标准中考虑用户在使用过程中的心理体验和主观感受的目标相吻合。因此，应遵循“可用性”的设计标准来制定虚拟现实自然交互设计的设计原则：
1.交互方式、交互流程的设定需要根据具体的产品内容而定。
2.自然交互的各个方面需要参照真实场景中的用户行为，符合人类的自然习惯。因为符合人类习惯的交互让体验者产生自然而然的亲切感和熟悉感，减少来自系统界面的干扰，从而将注意力一直集中在展示内容上。
3.外观是界面提供给体验者的直观视觉感受，颜色搭配、风格、内容、场景、导航等方面需要做到视觉上的统一，用户进行操作的方式也需要基本一致。
4.系统中关于操作、视觉相关的组件应具有易视性，在系统中显而易见。人们往往依赖于具体感知的信息作出判断，而自然交互利用实物减少了对体验者记忆的需求，创建出真实逼真的体验环境。
5.虚拟现实自然交互系统的建立需要有对应的技术支持，且这些技术的难度和成本需要符合项目的实际情况。
二、基子焦山碑林书法艺术虛拟体验的虛拟现实自然交互界面设计
以虚拟现实自然交互的设计理念为指导，遵循虚拟现实自然交互界面设计原则，文章选取“焦山碑林书法艺术虚拟体验”为案例进行自然交互设计。虚拟现实自然交互设计需要针对虚拟现实的特点，在系统设计中充分考虑用户心理感受和行为特性，对系统界面、展示内容、交互方式等方面进行全面设计。
（一）导航设计
合理的导航设计能够有效地引导体验者进入交互流程。虚拟现实系统应提供完整的导航界面，导航界面中需要设置直观形象的视觉元素，是体验者能够用丰富的交互形式对导航界面进行交互。展示内容应以非线性叙事的形式进行组织，使体验者在整体流程中能够自由地在各个部分之间切換或跳过。（如图1）是“碑林书法艺术虚拟体验”的导航界面，包括碑林入口、碑刻博物馆、御碑亭、痙鹤铭及返回主页。
自然交互的界面设计原则可应用在“焦山碑林虚拟体验”的导航界面设计上。体验者可以点击（如图1）左侧图标进入不同的场景。背景场景会随着体验者的头部移动或转动而显示极为真实的环境，展现出3D的效果。单击选中图标会有动画播放，视觉效果丰富多彩.能够带给体验者强烈的感官感受，体现出虚拟现实独有的沉浸感、交互感，激发体验者的兴趣，促进人机之间形成自然匹配，从而使交互自然、高效地进行。 （二）虚拟场景设计
虚拟场景是虚拟现实系统的基础环境，主要包括整体自然环境和交互载体两部分：整体环境是指建筑、地形、房间、植被等与虚拟现实交互操作无直接相关的事物，营造环境真实感从而提升体验者的沉浸感受;交互载体是指体验过程中所用的碑刻、毛笔等交互媒介，在设计时需要考虑整体场景中物体的建模、位置摆放、体验者的视角与观察角度等问题，使整体场景更加和谐统一。
虚拟场景的环境、交互载体模型的色彩设计以及环境布置等要以真实焦山碑林环境为基础进行仿真再现，为体验者创造一个近乎真实的虚拟场景，有助于体验者运用已有的认知使用虚拟现实系统。
（如图2）是“碑林书法艺术虚拟体验”的虚拟场景。整体环境由建筑、天空、道路、碑刻、植物等组成，构造出具有情境性的三维虚拟场景。交互载体包括碑刻、字帖、毛笔、纸扇、放大镜等。所有模型的色彩、外形、比例、材质与真实场景中的实物基本相同，并目都可以通过点击和触碰激光线等进行交互，体现出良好的真实性和互动陸。例如：激光线可以实现桌门的开闭、放大镜可以放大远处的场景等。虚拟现实系统的信息输出形式是多样的，与体验者交互的形式也是多样化的，因此，可根据虚拟场景中物品材质的不同添加对应的声音，创设更为真实的虚拟环境。例如：碑刻的摆放，门的闭合和开启，纸扇的打开与折叠等。
（三）交互载体提示设计
提示是虚拟现实系统的重要构成元素，在操作过程中随处可见，其主要功能体现为对交互操作信息的提示和操作步骤的指导，既能减少对操作者记忆的需求，又能给操作者带来明确的方向感。
虚拟现实系统中设置了多种提示标志，系通过通过语音播报和图像变換两种方式，对刚进入系统的体验者进行初步介绍并提供基本的有关信息。提示标志将会全程伴随体验者完成操作，并在体验的过程中提供操作指导，使体验者在不受打扰的情况下获取提示信息，帮助体验者简单有效地完成交互行为和信息获取（如图3）所示。
（四）交互载体反馈设计
在以往的虚拟现实交互设计中，系统会不断地弹出对话框等提示信号用于反馈，这些反馈信号能够吸引体验者的注意力，但是在交互流程中信号反复出现这样的提示信号容易使体验者产生厌烦情绪，影响整体的体验效果。在虚拟现实自然交互设计中，可以通过色彩、声音、振动反馈给予体验者适当的暗示，让体验者能够自然地从系统中获取信息（如图4）所示。
例如：当体验者进入书法临摹体验区时，虚拟現实系统会模拟真实的情景中的情况，模拟出书页翻页和毛笔与宣纸接触的声音。当体验者将激光线移动至书页上时，书页会高亮显示，体验者可以点击书页进行翻页操作，毛笔接触砚台时可以更换宣纸重新开始临摹。这种模拟真实情景的反馈，可以让体验者感受到与真实情景相似的体验，有利于完善体验者的交互体验。
综上所述，虚拟现实自然交互设计满足了体验者的感官体验，并有效融入了碑林书法本身承载的文化内涵，具体体现在：通过对系统视觉、听觉等感官方面的设计给予体验者丰富的感官体验，激发体验者的探索兴趣，使体验者能够积极地参与交互;通过及时准确、人性化的提示和自然的反馈设计使体验者在体验过程中能够将注意力集中于展示内容上，自然完成体验。
结论
传播和推广传统书法文化的方式随着科学技术的发展已上升到一个新的高度，虚拟现实技术为传统书法文化的传播提供了先进的方法，使得焦山碑林书法艺术虚拟体验成为可能，具有较好的应用前景。大力加强虚拟现实技术的应用，是传统书法文化领域可持续发展的重要工作。