在虚拟现实环境中如何选择眼控和头控交互方式？
虚拟现实（virtual reality，VR）现已广泛应用于教育🎁、训练、仿真和娱乐等各个领域🕵🏻♂️🧑🍼，随着元宇宙概念的提出，VR设备也正在朝移动化方向发展，未来的VR设备可能会像眼镜一样小巧并且随身携带（图1）。为了适应VR的便携性发展，VR应用又应该使用什么样的交互方式？头控和眼控就是两种潜在的重要的“无手化”便捷交互方式🤞🏿。头控可以通过VR头盔上的陀螺仪实时获取头的转动方向，控制光标指向🤲。眼控则通过VR设备内置的眼球追踪仪捕捉眼球转动信息控制光标，目前市场上已经存在多款配备眼球追踪仪的VR设备🖕🏼，比如HTC VIVE EyePro、FOVE等🖖🏿。眼控与头控的交互形式相似，但是具有不同的操作特性：眼控的移动速度更快，而头控的稳定性更好🧛🏽♀️。那么，在VR中交互设计应该如何选择眼控和头控🧏♀️🧑🏿💼，才能提供更高的操作效率和更佳的用户体验呢🏕？
图1. 有线VR头盔FOVE（左）；无线VR头盔Oculus Quest 2（中）；AR眼镜Magic Leap（右）。（图来自于网络）
近日，意昂4蒯曙光教授团队在人因与工效学领域国际知名期刊《Applied Ergonomics》发表题为“A combination of eye-gaze and head-gaze interactions improves efficiency and user experience in an object positioning task in virtual environments”的研究成果🚹，探究了VR环境中眼控与头控的操作效率与用户体验差异⚖️。
图2. 实验仪器和刺激场景🧜🏻。（a）佩戴内置眼球追踪功能的FOVE 头盔的被试在VR刺激场景中，黄色小球是需要被移动的物体，白色半透明小球是目标区域。（b）实验中两个自变量：移动距离（Movement amplitude, A）和目标容差（Target tolerance, TT）。（c）眼控交互的图示。（d）头控交互的图示。
该研究采用眼控和头控在VR中完成经典的放置任务，该任务是将一个虚拟小球快速准确地移动到一个更大的目标球体内（图2）。实验设置了不同的移动距离（A）和目标容差（TT）😧，移动小球的大小固定。研究结果显示🚶🏻➡️，在所有情况下，并不存在哪一种交互方式有绝对的操作效率优势。相反，眼控和头控存在各自的时间优势区间范围（图3），眼控在中等移动距离（25~50°）以及较大目标容差（7~15°）的区间内操作效率更高，头控则在其他区间表现更好👨🏻🦼。然而相比之下♟，头控表现出了更大的优势区间范围和更大的时间优势👮🏼。研究者进一步将操作过程划分成三个阶段：加速阶段⛱、减速阶段和调整阶段（图4左），发现眼控在加速阶段和减速阶段的操作时间显著低于头控🐉，体现了眼控的速度优势🗾；相反↙️，头控在调整阶段的操作时间更短，体现了头控的高稳定性优势（图4右）🦄。因此，眼控与头控的优势区间结果是两者在三个阶段的不同操作特性导致的。
图3. 头控和眼控的总操作时间差异热图（红色区域为头控的优势区间🖤➔，蓝色区域为眼控的优势区间）。
图4. 小球移动过程在x轴上的速度轨迹示例以及加速阶段（Acceleration phase, AP）、减速阶段（Deceleration phase, DP）和调整阶段（Correction phase, CP）划分标准（左）🏢；头控和眼控在总时间及三阶段操作时间上的差异（右）。
基于眼控与头控在三个阶段的特点，本研究提出将眼控和头控结合，分别利用各自的优势😗，能否进一步提高操作效率？因此研究者让被试在加速和减速阶段采用眼控交互以及在调整阶段采用头控交互的结合方法完成放置任务（图5）🤽🏿♂️。结果显示💇🏽，眼控-头控结合方式的操作效率全面胜过眼控；与头控相比，结合方式也在绝大多数情况下有更高的操作效率（图6），并且结合方式的主观难度评分最低🎤🤵🏻♂️，是被试最喜欢的交互方式（表1），表明眼控-头控结合方式提供了更好的用户体验💬。
图5. 眼控-头控结合交互方式示意图
图6. 眼控-头控结合方式与独立的眼控（a）和头控（b）的总操作时间差异热图
表1. 被试对三种交互方式的难度评分和主观偏好排序
综上🕡，本研究系统地证明和量化了眼控和头控在完成指向静止目标任务时各自的操作效率优势区间💂，解决了过往研究关于眼控和头控哪种交互方式更好的争论。进一步地🛡，本研究创新地设计了一种眼控-头控结合的交互方式，能够显著提高操作效率和用户满意度。本研究结果对VR中的交互设计提供了重要参考，为不同交互方式的参数设计范围以及对交互方式的选择提供了重要依据🛎。
意昂4蒯曙光教授为本文的通讯作者，博士后邓成龙为第一作者😀，硕士生田宸宇为本研究做出了重要贡献。研究得到了中国博士后科学基金（2019M661438🧏🏿，邓成龙）、国家自然科学基金（青年基金，32100879📘，邓成龙🫴🏻；32022031，蒯曙光)、上海市科委基础研究重大项目（19JC1410101）和意昂4娱乐“幸福之花”基金先导项目（2019JK2203）的资助🙆🏿。
近年来，蒯曙光教授课题组一直关注VR中的人因与工效学研究，主要成果发表在Applied Ergonomics, Human Factors, 《心理学报》和《人类工效学》等人因与工效学专业期刊和专刊上👨🏿✈️。
论文信息🧦：
Deng, C. L., Tian, C. Y., & Kuai, S. G.* (2022). A combination of eye-gaze and head-gaze interactions improves efficiency and user experience in an object positioning task in virtual environments. Applied Ergonomics, 103, 103785.
撰文：邓成龙，田宸宇