任务感知的VR交互技术选择：基于真实世界基线的离散、空间与连续任务可用性评估

《Sensors》：A Real-World Grounded Usability Evaluation of VR Interaction Techniques Across Discrete, Spatial, and Continuous Tasks

　　

随着虚拟现实（VR）的日益普及，交互技术需要在不同任务需求下并参照真实世界性能进行评估。本研究比较了四种VR交互技术——直接控制器（Direct Controller）、手部追踪（Hand Tracking）、射线投射（Raycasting）和手腕旋转（Wrist Rotation）——在离散任务（文本输入）、空间任务（七巧板操作）和连续任务（滑块控制）中的表现。二十名参与者在真实世界和VR环境中完成了相应任务。研究采用任务完成时间以及三份问卷——现实比较问卷（RCQ）、技术适当性评估问卷（TAAQ）和用户体验问卷（UEQ）——来评估性能和用户体验。研究人员进行了参与者水平的重复测量方差分析（ANOVA）和Holm校正的配对检验。结果表明交互技术之间存在任务依赖性差异。在七巧板操作中，直接控制器比手部追踪和射线投射更快，而校正后其文本输入时间差异不显著。在文本输入和七巧板任务中，直接控制器的能动性评分也高于射线投射。射线投射的滑块完成时间均值最低，尽管校正后其与手腕旋转的差异不显著，而手腕旋转也与更高的身体疲劳相关。在文本输入和七巧板任务中，手部追踪的沉浸感和具身感评分高于射线投射，但在连续任务中表现出更长的完成时间。总体而言，研究结果表明交互性能和用户体验随任务特征而变化，凸显了任务感知的VR交互技术选择的重要性。

研究背景方面，随着虚拟现实（VR）技术的广泛普及，研究者探索了多种交互技术以提升沉浸环境中的用户便利性和准确性。基于控制器的交互方式最为常见，提供物理按钮、触觉反馈和精确操作能力；射线投射（Raycasting）是另一种广泛采用的技术，通过模拟光束实现指向和选择；手部追踪（Hand Tracking）无需物理控制器即可捕捉手势，作为有前景的替代方案受到关注。然而，现有研究大多在单一任务类型内比较交互技术，虽然有助于识别特定活动的最有效方法，但限制了对用户体验如何随不同任务类别变化的理解。此外，评估通常仅在VR中进行，缺乏真实世界性能的参照基线，导致难以判断观察到的性能差异反映的是有意义的交互优势还是虚拟环境特有的伪影。为解决这些空白，研究人员设计了一项实验，将参与者的真实世界性能与相应的VR任务进行比较，采用三种广泛采用的基线交互技术——直接控制器、手部追踪和射线投射——以及一种任务特定技术手腕旋转（Wrist Rotation），用于考察一维连续控制。该研究基于前期系统性映射研究建立的VR任务分类法，将交互任务分为离散（文本输入）、空间（七巧板拼图操作）和连续（基于滑块的视频控制）三种代表性类型。研究的主要贡献包括：以真实世界任务为参与者特定基线评估VR交互方法；系统评估广泛采用的基线技术及任务特定技术；识别技术-任务适配模式并提供设计启示。

在技术方法方面，实验使用Meta Quest 3独立头戴显示器（HMD），刷新率90 Hz，输入通过Meta Quest Touch Plus控制器和头显内置手部追踪系统提供。虚拟环境使用Unity引擎（版本2023.2.20）实现，所有交互使用Meta XR All-in-One SDK（v72.0.0）开发。三种基线技术使用SDK默认预制件实现，手腕旋转通过扩展SDK输入处理功能自定义开发。任务完成时间作为主要客观性能指标，RCQ评估感知能动性、沉浸感和具身感，TAAQ采用迫选格式评估技术适当性，UEQ评估整体用户体验。统计分析使用Python 3.14.3等工具，采用重复测量方差分析和Holm校正配对检验。共20名参与者（年龄20-25岁，14名男性，6名女性）参与实验，环境顺序在被试间平衡。

研究结果方面，离散任务（文本输入）中，直接控制器和手部追踪在沉浸感和具身感维度评分高于射线投射和手腕旋转；直接控制器在准确性、速度和整体满意度方面获得最高选择频率；手腕旋转与疲劳和控制困难报告增加相关。空间任务（七巧板）中，直接控制器在能动性评分上高于射线投射，直接控制器和手部追踪在沉浸感和具身感维度均优于射线投射；直接控制器在精确放置、快速操作、错误校正和整体满意度方面获得最高选择频率；射线投射更多与身体疲劳相关联。连续任务（滑块控制）中，直接控制器、射线投射和手腕旋转的能动性评分均显著高于手部追踪；未检测到沉浸感或具身感的整体效应；直接控制器更多被选择用于精确相关标准，手腕旋转更多被选择用于速度相关标准并伴随更高的身体疲劳报告。任务完成时间方面，文本输入中真实世界平均完成时间为5.47 s，VR中直接控制器（15.78 s）、射线投射（16.52 s）和手部追踪（17.40 s）经Holm校正后差异不显著，手腕旋转用时更长（42.80 s）；七巧板中真实世界平均完成时间为16.81 s，VR中直接控制器（36.57 s）快于射线投射（50.37 s）和手部追踪（53.01 s）；滑块控制中真实世界平均完成时间为8.36 s，VR中射线投射（11.97 s）快于直接控制器（15.15 s），手部追踪（20.72 s）慢于所有其他技术。UEQ结果显示直接控制器在实用性质量维度（清晰度、效率、可靠性）持续获得高评分，手部追踪在刺激感维度均值最高，手腕旋转在新颖性维度均值最高。所有评估的VR技术在各任务中均慢于真实世界基线。

讨论部分指出，直接控制器在七巧板任务中快于手部追踪和射线投射，其稳定性可归因于成熟的硬件设计、物理可供性和已建立的控制映射；手部追踪在提供表达性和具身性交互体验方面表现突出，但当前传感限制、遮挡问题和缺乏物理约束可能阻碍精细控制；射线投射在远程选择和清晰视觉反馈方面具有优势，但在持续操作或精度敏感交互中可能感觉间接或疏离；手腕旋转应被理解为补充性的任务特定技术而非通用交互方法。真实世界任务性能提供了完成时间差距的参与者特定参照。研究局限性包括样本量较小（20名参与者，年龄20-25岁，18人无或有限VR经验）、每个任务类别仅由一种任务实现代表、环境顺序效应无法测试或调整、真实世界与VR计时程序不同、客观错误率和校正次数无法重建、问卷发现为探索性描述。未来工作将探索更广泛的任务范围、多模态交互策略、个体差异分析以及长期使用因素。研究结论部分翻译如下：本研究扩展了前期系统性映射研究，实验比较了四种代表性VR交互技术——直接控制器、手部追踪、射线投射和手腕旋转——在三种代表性任务类型中的表现：离散（文本输入）、空间（七巧板操作）和连续（滑块控制）。通过纳入相应的真实世界任务作为参与者特定性能基线，本研究提供了一个有参照的评估框架，超越了仅限VR的比较，阐明了技术-任务适配性。直接控制器在七巧板任务中快于手部追踪和射线投射，并具有最高的UEQ实用性质量均值。经校正后，这三种技术在文本输入时间上无显著差异，而手腕旋转较慢。射线投射与真实世界性能的滑块差距估计最小；其与手腕旋转的时间差异不显著。在文本输入和七巧板任务中，手部追踪的沉浸感和具身感评分高于射线投射，同时在七巧板和滑块控制中用时更长。总体而言，这些结果强化了VR交互有效性本质上是任务依赖的观点。未来需要任务特定的准确性和错误测量与完成时间并行，以更全面地评估技术-任务适配性。