机械车间交互性虚拟展示的视觉引导设计

□任工昌 □彭亚梅

陕西科技大学机电工程学院 西安 710021

1 概述

交互性虚拟展示技术是当今社会科学技术高速发展的产物，它既实现了人和环境在虚拟空间状态下的结合，也实现了用户对目标环境的即时漫游。对虚拟展示进行设计就是对信息服务进行设计，核心不仅在于外在的形式和表现手段，而且在于如何通过设计让用户获得更好的信息服务体验[1]。然而，在车间环境的虚拟展示过程中，存在展示面积大、环境功能区域划分复杂等缺点，致使用户在与虚拟环境交互的过程中存在困难，因此在虚拟展示过程中，需要为用户提供合理、科学、简便的视觉引导，通过视觉引导设计，使信息更加准确、方便、快捷地被用户获取，减少用户负面情绪，有效传达信息，进而使用户在虚拟环境下的参观更加顺利和愉悦。

2 虚拟车间环境中视觉引导设计的意义

虚拟车间是实际生产车间的虚拟展示，因此虚拟车间的功能划分、仪器设备布局、仪器设备工作方式及生产流程完全按照实际生产车间进行设置，其环境复杂程度与实际车间一致。在大型虚拟环境中，帮助用户在陌生复杂的虚拟环境下顺利进行交互，不仅能增加用户在交互过程中的愉悦感受，而且即使是在个人独立操作的情况下，也能帮助用户更快地了解信息。

交互是一种目标引导设计，通常是视觉认知影响下目标的导引过程[2]。车间内仪器设备的操作方式及作用对于非车间工作人员而言是不清楚的，而引导说明则能解决这一问题。在虚拟环境中，没有车间工作人员的讲解说明，也没有工作人员的路线指引，因此需要视觉引导充当工作人员来帮助用户了解陌生环境。

3 车间基本布局规律

现阶段的车间布局绝大多数基于工艺过程和车间信息化管理[3]，设计科学合理的视觉引导，就需要了解并分析车间的整体环境。

机械加工生产线以机床为主要设备，加工工件按照工艺顺序经过各个工位，最终完成整个工艺加工流程，生产线布局应遵循以下原则[4-5]。

（1）物流原则。在满足物料输送的情况下，尽量减少重复活动路线。虚拟车间中也需要遵循这一原则来设计视觉引导，因为重复、繁杂的展示路线无疑会给用户增加理解环境的难度。

（2）紧凑原则。设备的科学布置可以有效提高车间的空间利用率。

（3）特殊位置摆放需求原则。某些设备具有一定的特殊性，因此需要考虑将其摆放在特殊的位置，形成位置固定约束，从而解决车间场地的特殊布局问题。

（4）设备共用原则[6]。设备合理共用，不仅可以降低设备购买的成本，而且可以减小设备的占地面积，尤其是对于体积巨大、价格昂贵的设备，不同生产线使用同一设备是多数企业的选择。

目前国内外主要生产线的布置有“一”字形和U形，其次还有L形、Z形等，虽然车间布局有所不同，但是都应遵照尽量减少物流运输的原则。

在车间展示过程中，用户沿着物流通道参观整个生产流程，物流线依照尽量缩短物料与人员的流动距离、避免物流交叉、采用直线前进原则进行设计，以达到节约时间、降低费用、减少混乱的目的[7]。

4 视线流程形成要素

在虚拟交互过程中，用户受自身主观思想的影响，会做出不同的选择。为了避免用户出现无序或错误等操作，设计者需引入视觉导向概念，通过对色彩、图形、文字等视觉元素进行有条理、有顺序的设计，突出显示重点。利用心理暗示方式，自然引导用户视线，使用户视线在不自觉的情况下，跟随设计者事先编排好的路线轨迹走。因此，研究用户视线流程，对设计视觉引导起决定性作用。视线流程具体包括视线流动规律和视线流动形式。

4.1 视线流动规律

视线流动规律包括以下几方面。

（1）较强的视觉信息刺激。相对于一般的视觉刺激，较强的视觉信息刺激更容易被人所感知，也就更容易吸引用户的注意力，视觉信息刺激是视觉形成流动的首要前提。

（2）视线的转移具有直线性特点。两点确定一条直线，因此，两个刺激点会让用户形成视线的直线转移。在交互过程中，通过将刺激点与剌激点相连接，可以形成视线的流动。

（3）信息在形态和结构上与周围信息形成相异性。利用区别于周围信息的方式，突出显示信息，从而引起用户的视觉兴趣。

（4）刺激信息由强到弱，视觉刺激度亦由强到弱，形成一定顺序。视觉在受到刺激时，最强的刺激将最先被视线对准。

（5）受心理和生理的影响，人有自身的视觉流动顺序，如人眼水平方向的速度比竖直方向的速度快，左上方的观察力优于右上方。

（6）视觉运动有积极的主动性，受兴趣爱好等影响。视觉运动往往首先被自身感兴趣的东西吸引，而忽略其它刺激，这一视觉运动的积极主动性，使视觉流程存在不规划性与跳跃性。

（7）相似的因素具有引导视线流动的作用，如色彩、形状、位置的相似性可以引导视线流动。

视觉流动规律除受以上因素影响外，还受用户心理及生理因素影响。心理学研究表明，用户在阅读信息时，会根据母语的阅读习惯，通常不是先看中间，而是从上到下、从左往右阅读信息[8]。人对动作的适应过程总是从陌生到熟悉，最后形成习惯，而形成习惯以后再完成同样的动作就不需要耗费多余的时间，凭借对事物的熟悉程度，形成对动作的自动反应，如见到熟人便打招呼等。因此，在整个视觉引导设计中，选用大多数人熟悉甚至是习惯的交互方式，可以省去用户重新适应的过程，也可以避免用户因不熟悉而引发不当操作。

另一方面，分析得出平面的中部及中上部为最佳视域。通过合理运用这个区域来传达重要信息，可以起到在交互过程中引导用户的目的。

4.2 交互空间中的视觉流动形式

视觉流程形式可分为二维空间中的视觉流程、三维空间中的视觉流程及多维空间中的视觉流程[9]。

4.3 多维空间中引导视觉流动形式

虚拟车间是由同一画面中多种三维空间模型组合而成的复杂多维空间，在多维空间中，视觉引导流程的应用方式有多种，其中文字、手势、形象和视线引导方式应用较广泛。

（1）文字引导方式。顾名思义，就是利用文字来传递信息，将数据信息通过文字的方式传递给用户，利用文字来引导用户，突出重点。

（2）手势引导方式。利用手势来传递方向类信息，通过不同的手势引导用户。

（3）形象引导方式。通过形象设计，如物体位置的色彩标记、标志的设计来引导用户。

（4）视线引导方式。通过画面中物体的虚实变化或视线引导线等形式来告知用户视觉运动路线。

虚拟车间的交互，其目的在于向用户展示整个车间环境，并引导用户与虚拟车间进行交互。因为用户在进行交互之前，对于虚拟车间的信息可能并不了解，所以采用引导视线流动，通过设计诱导元素，结合文字、色彩等引导方式，引导用户的视线向预定的方向移动，可以有效避免用户产生错误、无序、重复等操作。

5 虚拟交互环境中视觉引导设计及其实现

5.1 视觉引导的逻辑性

在机加工生产过程中，普遍按照生产线的工艺流程对工件进行加工，用户在对整个车间的参观过程中，按照工艺流程的加工顺序进行参观，既具条理性，又方便用户理解整条生产线的生产流程，因此需要强调视觉引导的逻辑性对于虚拟车间的重要性。用户在通过界面与虚拟车间进行交互时，通常是独自进行交互，交互的复杂程度直接影响用户的心理感受，交互越简单，信息传达越直接，这样可以提升用户的好感度。可见，使用户在短时间内以简单的方式了解整个车间是非常必要的。复杂的交互不仅会增加用户的学习时间，而且会降低用户的兴趣。而结合机械车间生产工艺流程，为用户提供具有逻辑性的视觉引导，满足用户心理逻辑顺序和思维发展顺序，可以帮助用户与虚拟车间之间实现更加顺利、流畅的交互。

视觉引导的逻辑性主要体现于设计者对视觉引导线路的合理规划，设计者结合工艺加工流程和车间场景布局，通过设计诱导元素引导用户的视线按照预定的方向运动，重点突出，条理分明，将信息有条理地串联起来，最后形成有逻辑性的整体。

5.2 强化用户视觉引导

在具体的交互视觉引导设计中，要考虑用户的意向，尽量使用户自由地进行交互。同时，针对初次交互的用户，在其未能良好地把握整个参观流程之前，需要引导用户按照设计者意图对虚拟空间进行有条理、有逻辑的参观。添加视觉引导元素，吸引用户注意力，强化对用户的视觉引导，从而实现诱导用户按照设计者事先编排的路线轨迹来进行交互的目的。

强化视觉的方式，首先可以通过设计不同符号、颜色、文字等对用户进行方向性暗示。不同的符号设计，可以帮助用户清晰地辨别内容，并在脑海中形成大致分类。在分类完成后，形成抽象路线，使用户不由自主地按照路线移动自己的视线。通过使用有区别的色彩，可以轻松地反映出表达重点。文字的强化方式则是将重点内容以加粗、加大的方式表现，使用户的视点聚焦在加粗、加大的文字信息上。

其次可以将周围事物淡化或者虚化，使重点内容以更明确、清晰的方式进行展现。模糊的视觉条件会阻碍用户获取信息，在清晰的视觉条件下，用户总是能更加容易快速地阅读信息，利用这种方式就可以强迫用户只阅读设计师给出的信息，从而达到设计师引导用户交互的目的。

用户通过界面进行交互的过程中，无法集中关注整个界面，因此通过视域优化的方式，分析大多数用户的最佳视线范围，将重点内容放置在用户的最佳视线范围内，用户就会下意识地投入更多的关注。根据视觉流程法则，界面的上半部分和左半部分为用户的最佳视域。上半部分和左半部分能够使人轻松阅读信息，下半部分和右半部分相对而言则更显稳重和压抑，这种由于界面区域不同而带来的视觉落差感与眼睛习惯从左至右阅读的反射结果相关。

5.3 简化用户获取信息的操作过程

用户登录虚拟车间的目的不尽相同，在设计用户视觉引导之初，设计者需要考虑以下几方面内容。

（1）对用户需求进行深度挖掘、分析，有效获取和理解用户需求,并在产品功能的抽象表示和描述中准确反映用户需求信息[10]，这是交互设计成功的必要前提。设计视觉引导的目的是帮助用户在虚拟车间顺利进行交互，因此需要了解用户背景，分析用户需求，明确用户想要获取的数据信息，以此来帮助用户更加迅速、直接地获取信息。如分析用户想要获取车间的哪些生产数据及生产流程等，那么在视觉引导设计过程中就着重表达此类信息，选择性地丢弃关系度较低的数据信息，使表达更具有针对性。

（2）用户交互体验。系统、用户和环境都会对用户交互体验产生影响[11-12]。在虚拟交互过程中，视觉引导是一项重要的用户体验，如通过考虑用户习惯的行为方式和使用方法，设计符合多数人习惯的引导方式；通过设计符合多数人认知及行为习惯的引导提示，降低用户误操作概率，引导用户快速获取目标信息。设计的精髓在于以人为本，而不是炫技，只有彻底了解用户真正的需求所在，提出能够解决用户需求的设计，才是好设计。因此，“少就是多”在用户交互体验设计中同样适用，简约的交互更能凸显主题，这样才能使用户操作更加简便、直接。

（3）满足用户基本期望之外的创新。这里的创新指在满足用户基本需求的同时还应该考虑用户潜在的期望，或者说是为用户创造更高的需求并进行解决。因此，设计师在用户视觉引导的设计过程中，还应帮助用户思考潜在的更高期望，超出用户基本期望的设计能给用户带来更好的体验，在交互结束后能使用户形成很好的评价，为后续交互奠定良好的心理基础。

6 结束语

机械车间交互性虚拟展示缩小了用户与车间之间的距离。用户良好的交互体验可以帮助用户对展示内容进行更深刻的理解，对于参观流程的理解也更容易。此外，机械车间虚拟展示中的视觉交互在提供更多自主选择空间的同时，也带给用户一定的娱乐性。

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