摘要：随着虚拟现实技术的不断发展进步，虚拟装配技术的相关应用逐步深入到开发人员和用户手中，并在日常的生活中发挥重要的作用。本文深入研究了虚拟环境下的交互设计理论，并据此设计了虚拟场景下的家具装配例案，使用户可以利用虚拟环境下的工具和材料，用最自然的方法学习与体验家具装配过程。本文希望通过对虚拟场景下的家具装配交互设计的研究过程，切实帮助到设计师了解虚拟交互设计相关理论，帮助用户了解装配流程、提升装配能力，并促进虚拟装配的应用场景进一步扩大到各式各样的生活用品和工业产品中。
关键词：虚拟现实；交互设计；家具装配；程序设计；产品应用
引言
随着时展，虚拟现实技术不再是触不可及的科幻作品，它正在以飞快的速度普及到人民生活之中。现如今，各种游戏引擎，如Unity3D、Unreal引擎，都在虚拟现实应用的开发过程中起到重要的作用，使得虚拟现实产品的开发和使用都越来越简单。同时，在互联网飞速发展的今天，网络购物的习惯深入到万千百姓家中，很多大件贵重物品如家具都需要进行现场装配，利用虚拟装配技术则可以十分有效、低成本、高效率地帮助到家具的装配人员。
一、虚拟现实技术对家具装配的启示
（一）虚拟现实技术简介
虚拟现实技术是一种利用电脑生成一个三维的虚拟空间，为使用者提供视觉、触觉、听觉等感官的模拟，使人身临其境。该技术集成了计算机仿真技术、计算机图形技术、显示技术、传感技术、人工智能等最新技术的发展成果[1]。利用虚拟现实技术，可以使得用户置身于我们所希望的环境之中，并能够观察到开发人员制作的各种虚基于虚拟场景的家具装配交互设计研究RESEARCHONINTERACTIVEDESIGNOFFURNITUREASSEMBLYBASEDONVIRTUALSCENE拟物品，再结合传感器与控制手柄等设备即可实现人与虚拟环境之间的交互，从而产生如临其境的真实感受，并获得与现实世界高度重合的体验效果。
（二）将家具装配虚拟化的可行性
虚拟装配技术出现以后，大量的虚拟装配系统被开发和应用。从理论技术的角度看，如今虚拟现实技术相关的软硬件开发已经具备较为先进的解决方案与服务[2]。市面上有各式的软件可以用来制作虚拟的装配场景，也有相关的游戏开发人员可以对家具的具体装配流程进行开发，更有各式各样的硬件设备用于体验。从实际应用的角度看，根据沉浸程度和交互方式的不同，目前虚拟现实系统可以分为桌面式、沉浸式、增强式虚拟现实系统[3]。受到场景与硬件条件的影响，不同的使用者可以使用不同的方式来体验家具的虚拟装配。对于一般用户可以使用PC进行装配学习，对于企业单位可以通过购买头盔等设备让员工进行沉浸式学习，对于轻度体验的用户还可以通过手机的增强现实功能进行装配体验。
（三）将虚拟现实技术应用于家具装配的意义
当今社会各个企业、单位和用户对产品装配的需求依然很大，传统的应用场景依然需要有充足经验的人员来完成相应工作，对于新手表现出上手难度高、成本高、效率低等痛点[4]。尤其是目前通过电商购买家具类产品的现象已经习以为常，很多时候大型的家具直接将散乱的零件直接打包邮寄给客户，安装人员及客户就会面临需要参照图纸进行安装的情况;而组装家具这个工作要求安装人员需要具有一定熟练程度，否则就会花费较长时间理解安装方法，熟悉工具的使用;同时，对于复杂度较高，较贵重的家具安装，可能由于用户缺乏实际安装的经验，造成时间上的浪费甚至是经济上的损失。虚拟现实技术基于的高级科学技术，通过各种感官感受营造一种虚拟的环境，用户借助专用的输入输出设备将现实与虚拟世界相传导，且具有良好的交互性[5]。在这样的技术条件下，家具装配利用虚拟现实技术则可以有效地降低学习成本、提高用户学习效率和装配经验。家具虚拟装配通过利用虚拟现实技术，设计仿真的家具模型，再通过程序设计让装配过程符合现实世界的逻辑，使得用户能够轻松熟悉家具产品的装配方法。虚拟装配不仅具有真实的装配方案，同时还具有一定的引导能力，可帮助没有装配经验的用户完成家具的正确装配流程。利用虚拟现实技术，用户不仅可以在购买家具之前了解其使用细节，还可以在着手装配之前从虚拟环境中体验装配过程、学习装配方法，从而提升对家具功能的熟悉程度，并提升对装配过程的掌握程度。此外，对于各个企业与单位的技术人员，虚拟装配还可以使其员工在虚拟环境下反复训练，起到节约成本、提高培训效率的作用。
二、虚拟装配技术的软硬件平台
（一）家具模型的构建软件
3DSMAX是Autodesk公司旗下的三维模型制作软件，广泛用于视觉效果、动画及游戏开发领域。它是当前世界上销售量最大的三维建模软件，简单易用，功能强大，同时对于PC的配置要求不高。此外丰富的插件还可以增强其原本的功能，使用起来非常方便。在家具模型的构建中，3DSMAX成为了产品外观与结构设计最核心的软件。产品设计师利用它可以修改模型的各个参数，在产品加工生产出来之前反复修改模型以达到工业要求，从而降低生产成本。游戏设计师在拿到3DSMAX制作出的模型之后，就可以将其应用在虚拟现实应用开发的过程中。由于虚拟模型与真实家具是精准匹配的，所以用户在虚拟环境下看到的一切，包括家具零件、所需工具，与真实世界都是一模一样的，极大地提升了虚拟装配的有效性。
（二）虚拟装配的开发软件
Unity3D是由UnityTechnologies开发的一个让玩家轻松创建互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，能够创建实时、可视化的3D动画和游戏。此外它的行业前景广泛，在游戏开发、虚拟仿真、动漫、教育、建筑、电影等多个行业中都得到了广泛运用。如今，在虚拟现实产品的开发过程之中，创建了市面上超过60%的AR/VR内容，表现出十分重要的地位。游戏开发人员根据家具装配设计的需求，利用Unity3D和C#脚本即可编辑游戏内容，完成符合实际需求的装配方案的开发工作。再利用Unity3D将游戏软件到手机、VR设备、PC甚至网页环境之中，使得一套虚拟装配设计可以适应不同的平台要求。
（三）虚拟装配的硬件平台
根据不同的应用场景与硬件条件，家具虚拟装配可以在多种平台下完成。在手机平台，用户可以通过手指触控的方式对家具模型与工具进行操控，在便捷性上可以取得很大优势;在VR平台，用户可以戴上VR头盔，如HTCvive，再利用手柄进行操控，这种方式可以提供十分强烈的真实感受;在PC平台，用户将会通过键盘鼠标操控虚拟场景下的模型与工具，根据装配方案的指引进行装配，可以取得真实性与经济性上的平衡。
三、虚拟环境下的交互设计研究
（一）基本交互设计研究
在软硬件应用产品中，如果功能的实现需要与人进行沟通，那么这些功能的设计就包含在交互设计的研究范畴之内。比如从点击网页上的按钮，到电影《头号玩家》中展示的体感游戏系统，都离不开交互设计。交互设计探讨人与产品之间如何进行交互，使得产品不仅使用起来方便快捷，同时产品的功能还可以完美发挥，让产品切实的帮助到用户解决问题。此外，良好的交互设计还应该让用户在使用产品的过程中获得较为满意的用户体验和愉悦心情。交互设计的研究对象是行为，它应包括人的主动行为和产品的反馈行为。人的行为由用户控制，用户可以通过点击按钮、操纵装置、语音指令、肢体动作等行为发送指令给产品，让产品完成这一指令指示的功能，比如可以通过旋转按钮控制车机系统的声音大小、通过语音指令让智能手机拨打电话等。产品的反馈行为是由产品开发者设计，产品可以通过震动、高亮、声音、显示具体画面、执行具体功能等方式对用户的输入做出反馈行为，让用户清楚产品的具体工作情况与任务完成情况，如按键时的反馈音。交互行为的设计应满足认知心理学原则，要让用户以最少的负担熟悉复杂的功能，用生活的常识应对产品使用中遇到的各种操作。基于认知心理学的交互行为设计应满足以下原则：
1.产品的设计元素具备可视性：设计元素的可视性是指用户不用特殊的教学指导，就能够自然地了解产品的各个功能及使用方法。这需要用户界面的图形、文字、颜色、形状等符合用户的认知规律。比如在设计“退出”按钮时，一般会将其设计为圆形红色的大按钮，如果将与“终止”操作相关的按钮设计为绿色，那么用户可能会产生迷惑，甚至在实际使用中还可能会导致误操作，产生出不期望的后果。
2.产品对人的行为具备反馈性：反馈性是指产品可以对人的一切指令进行反馈，包括一般行为的指令与重要行为的指令。通常情况下，产品可以通过声音、震动、界面上的提示等对用户进行合理的反馈。一般行为的指令反馈应尽量短促、清晰，在起到反馈作用的同时不打扰用户正常的交互;在接收到重要行为的指令之后，用户会期待产品做出反馈，此时产品反馈的效果应该明显，必要时可令用户稍作等待。
3.产品的各项功能保持一致性：产品功能的一致性包括结构的一致性、操作的一致性、反馈的一致性和图形界面的一致性。结构一致性指排列布局保持一种类似的结构，操作一致性指用户在不同情况下执行同一操作的方法不变，反馈一致性指对用户同类型输入产生的反馈效果保持一致，图形的一致性是指用户界面的各种元素如文字、图标、颜色等保持一致的视觉效果。
（二）虚拟现实环境中的交互设计研究
虚拟交互主要有桌面式人机交互，虚拟现实交互，增强现实交互等，其中虚拟现实交互是人机交互技术的最前沿的应用之一。在虚拟现实系统中，操作者可以通过头戴显示器在虚拟场景中对物体进行直接操作，并获得实时操作反馈信息，是一种具备多感知性、高真实性的沉浸式人机交互技术[6]。在虚拟现实环境下的交互设计应额外考虑其特有的交互环境，即用户不再被约束到简单的控制界面上，接受的信息不再是屏幕传递的二维画面，而是置身于一个虚拟的三维空间中进行人机交互。虚拟现实环境下人的主动行为方式、接受反馈的方式都会根据输入和输出设备的改变而产生变化。以头戴式显示器和定位手柄等虚拟现实设备为例，用户常见的主动行为有四处观望、站立行走与蹲下、挥动手柄等，接受到的产品反馈行为有环绕式的声音、三维环境的变化以及设备模拟的力反馈效果。可见，在虚拟现实交互设计的过程中，对于人的主动行为应注重人类本能的行为特征，让用户在真实世界的行为模式自然融入到虚拟世界的交互方式中，使得用户的输入行为更加简单，也更加和谐;而对于产品的反馈行为应注重视觉、听觉、触觉方面带来的变化，本质上也是模拟自然界对人类行为的反应，让用户的多个感知器官同时感受到变化，才能体现出虚拟现实技术特有的沉浸感与交互性。在虚拟环境下交互设计的目的是给用户营造身临其境的全方位的体验方式与感受，让用户、虚拟现实设备、虚拟环境融为一体。为更好地让用户感受到这样的效果，在虚拟现实环境中的交互行为设计应满足如下原则：
1.虚拟体验应营造良好的生理感受：用户佩戴虚拟现实设备进行交互，视觉、听觉、触觉都是虚拟环境带来的，这些感受完全由开发者创造，如果与真实世界的行为相差甚多就会给用户带来诸如眩晕、迷惑等生理感受;如果要完全按照现实世界的方式交互，会使用户的虚拟体验需要耗费过多的精力，时间久了可能会带来不必要的疲劳感。因此，虚拟交互设计应在满足用户生理感受的同时，使得用户能够轻松地进行虚拟体验。
2.虚拟交互应符合自然界的交互形式：虚拟世界中用户会下意识地调动本能进行各项行动。让虚拟交互符合自然界的交互形式可以增加用户的沉浸感，避免用户反复的从虚拟环境中跳出，可以提高用户的使用感受。同时，让用户在虚拟环境中的行为与真实世界的行为保持一致还可以起到训练效果：通过虚拟环境指导用户的操作，用户回归真实世界时操作方式基本不变。3.虚拟环境应创造超越现实的视觉空间：虚拟环境可以营造超越现实的视觉效果，为虚拟环境设计虚拟主题背景、虚拟对象与动画等超自然元素，不仅可以帮助用户在虚拟环境下快速了解产品功能、便捷地解决实际问题，还能让用户从超自然的感受中获得愉快又刺激的生理体验，使得虚拟现实交互发挥出其特有的优势。
四、虚拟环境下家具装配的交互设计与开发实例
（一）应用于家具装配的虚拟交互设计方案
1.用户交互方法设计为使得用户在虚拟环境下具有良好的生理感受，本案例设计了简单自然的交互形式，如下：用户通过控制器手柄与虚拟世界进行交互，利用手柄的空间位置和按钮，可以实现抓取、控制物体移动、拆装家具等功能。选择零件时，用户使用的手柄可以显示射线，利用射线对准需要操作的家具零件，扣动手柄扳机完成选择过程;选择工具时：用户利用相同的操作方式对准工具，变更手中使用的工具;装配实施时，用户移动到装配的地点，将虚拟射线对准需要装配的位置，通过扣动扳机使得家具零件装配在一起。
2.图形界面设计为满足具备可视性、一致性的产品交互图形界面，并在虚拟环境下添加适当的超现实视觉空间，本案例设计了如下的图形界面：用户需要置身于房间中，所以需要设计一个房屋场景，本文以一个大客厅为例，在客厅中间预置了一片空地。为了方便用户装配，图形界面中设计了悬浮的幕布，上面展示了装配家具所需要的所有零件、工具（如图1）。同时还设计了提示用的幕布，可以显示一定量的信息，帮助用户完成装配。在用户完成对家具零件的选择之后，空地上会展示出零件的模型。
3.环境对用户的反馈设计为了提高用户的使用体验，满足产品交互设计应具备反馈性的原则，本案例设计了如下的反馈机制：用户选择家具零件之后，在虚拟环境中展示出零件的模型;用户在进行装配时展示出装配的过程，并提示用户这次装配是否成功;用户在错误的装配之后，提示用户对应的错误信息;用户在完成最终的装配后显示装配所用的时间。
（二）家具虚拟装配的软件开发方法
目前定制家具产品主要以橱柜、衣柜等柜类家具为主[7]，所以本文以衣柜作为研究对象。首先利用3DSMAX制作衣柜零件模型和工具模型以及客厅环境模型。衣柜模型包括基础的衣柜木板、背板、侧板、角线和多个门板，工具包括锤子和电动螺丝工具。然后将模型添加材质和贴图，在外观上与现实世界的视觉感受保持一致。将处理好的模型导出为FBX格式并添加到Unity3D项目中。在Unity3D中，利用SteamVR将PC端软件与硬件设备HTCVIVE实现连接，完成人物观察移动等基本操作。再通过Unity3D编辑器，布置虚拟环境与图形界面。最后，利用C#脚本编写程序，实现全部的功能需求。根据装配的流程，主要实现以下几个功能：
1.用户在真实世界的移动与视线要与虚拟环境中保持对应关系，人物双手的位置与角度同理。
2.用户在选择工具之后，手中的手柄模型要更改为对应的工具。
3.用户在选择物体的之后，应该展示出物体模型，同时高亮提示装配的操作点。
4.当用户正确装配时，应该执行对应的动画效果，将衣柜零件放置到装配后的位置。
5.用户错误装配时，应从文字和声音上提示用户相关的错误信息。
总结
本文通过介绍虚拟现实技术对虚拟场景下家具装配的启示，分析了虚拟家具装配具有较好的可行性，可以产生良好的社会生活意义。然后对基本交互设计与虚拟环境下的交互设计进行了深入的研究。最后针对现有的开发软件与硬件平台，利用虚拟交互设计的研究内容，做出了虚拟家具装配开发的实际案例。本文希望通过对虚拟场景中的交互设计研究以及家具虚拟装配的实际案例，让大家对虚拟现实技术、虚拟交互设计和虚拟装配有更深入的了解，让虚拟装配发挥更多的优点，并在实际的社会生活中产生应有的效益。同时也希望将装配的物体从简单的家具进行扩展，适配到需要装配的其他物体之中，如自行车、电脑的组装甚至汽车维护之中，使得越来越多的用户可以通过虚拟装配大幅度地节约学习成本、提高学习与工作的效率。
作者：明宝林 吕德生 单位：哈尔滨工业大学建筑学院
