虚拟现实用户界面设计：最佳实践与实现方法

《Displays》：Virtual reality user interface design: Best practices and implementation

　　埃辛·梅赫梅多娃|圣地亚哥·贝雷苏埃塔-古兹曼|斯特凡·瓦格纳
德国海尔布隆慕尼黑工业大学

摘要
为虚拟现实环境设计有效的用户界面对于提升用户的沉浸感、可用性、舒适度以及可访问性至关重要。尽管虚拟现实技术在各领域的应用日益广泛，但目前仍缺乏统一且全面的VR用户界面设计指南。为填补这一空白，我们进行了系统性文献综述，梳理现有最佳实践，并提出了28条针对VR用户界面开发的统一指南。基于这些研究结果，本研究提出了一个框架，以指导更高效的VR界面设计。为验证这些方法的有效性，我们开发了一款名为FlUId的VR应用程序，同时还设计了一个交互式网页工具，作为开发者了解指南及规划项目的辅助工具。此外，我们还开展了用户研究，以评估所提出指南的实际影响。这些研究成果旨在架起理论与实践之间的桥梁，为VR设计师和开发者提供具体的建议与实用工具。

引言
虚拟现实是一种通过计算机生成的三维环境模拟技术，用户可通过头戴设备沉浸式地与之互动探索。虚拟现实技术起源于20世纪60年代[1]，它利用头戴式显示器创造出另一种现实的假象，使用户沉浸在互动的数字环境中[2]。设计良好的虚拟现实体验能够提升用户的参与度、满意度及沉浸感[3]，但过度使用该技术也可能引发各种健康问题，阻碍个人发展[4]。这凸显了精心设计的重要性——界面元素和可用性会直接影响用户的思维模式与决策，而用户需求与体验则是设计时的关键考量因素[5]。

虽然基于手势的界面组件不断出现，但传统的用户界面元素至今仍广受欢迎[6]。然而，要实现真正沉浸式的虚拟现实体验，就需要探索能够支持更自然用户交互的不同界面设计方法[7]。目前用于设计虚拟三维界面的方法大多直接借鉴了桌面操作模型以及相关的“窗口、图标、菜单、指向设备”（WIMP）架构，这就导致了物理现实与虚拟现实之间的用户体验差距[8]。这种适配方式存在缺陷，因为在三维虚拟环境中进行交互时，需要将传统的二维输入设备映射到三维空间中，而当三维元素以二维图像形式呈现时，会限制内容的感知效果[9]。与桌面和移动设备上的传统二维界面不同，虚拟现实环境没有固定的界面布局边界，这使得传统的界面设计原则难以直接应用[10]。

目前缺乏完善的VR界面设计指南，这在为沉浸式体验选择合适的交互模式方面带来了诸多限制[5]。现有的VR交互模型在应对用户疲劳、晕动症以及确保界面可用性与用户福祉方面存在困难[11][12]。其中，菜单设计、文本可读性以及交互技术都是关键挑战，而这些都需要根据沉浸式三维环境的特点进行调整[13]。此外，近期研究也指出了在VR中优化菜单布局与交互技术的难点，强调了需要通过细致评估来提升界面的可用性、准确性以及用户舒适度[2][14]。

为解决上述及其他相关问题，本研究进行了全面性的文献综述，梳理当前VR用户界面设计的最佳实践与指南。基于分析结果，我们整理出了28条最佳实践与规范，将这些研究成果整合为统一的VR界面设计建议，这些内容已发布在GitHub上的一个Wiki页面上，可供任何VR设计师或开发者查阅。为验证并展示这些指南的有效性，我们开发了名为FlUId2的VR应用程序，该应用通过对比优秀与欠佳的界面设计原则，让用户直观了解不同设计方法的效果。同时，我们还开展了用户研究，以评估这些指南在提升VR环境用户体验方面的作用。

本研究的核心创新之处在于将分散的各种设计原则整合为一个有序且可操作的体系。尽管现有文献中已存在一些单独的指南，但其实际应用仍然较为零散。本研究通过三层创新体系做出了独特贡献：第一层是优先级排序模型，该模型根据指南对可用性与安全性的影响对其进行分层分类；第二层是将这些分类转化为开发者工作流程的整合逻辑；第三层则是由交互式网页工具与FlUId验证应用程序构成的数字工具链，这一工具链有助于弥合理论研究与实际产业应用之间的差距。

虚拟现实技术广泛应用于多个领域，每个领域都有其独特的界面设计要求。在教育领域，沉浸式学习环境被用来创造富有互动性的学习体验[15][16]。有研究提出了沉浸式学习设计的最佳实践，强调在虚拟环境中实现真实的交互效果[17]。谢的研究则进一步指出了教育类VR应用中界面设计的关键要素，尤其是信息清晰度、交互流程以及空间定位等方面[18]。周等人则提出了专为VR展览设计的三维用户界面设计范式，旨在提升虚拟环境中的可用性与沉浸感[11]。

除教育领域外，虚拟现实还在游戏和娱乐行业得到广泛应用。王等人研究了支持协作、互动性与真实感的VR游戏设计策略，指出这些原则能够显著提升用户体验[19]。拉罗科、阿尔维斯等人以及恰塔克等人则分析了行业内的最佳实践以及Oculus和Unity等厂商的指导方针，提出了可在不同VR平台上通用的设计框架[20][21][22]。凯利等人则设计了一款用于辅助正念练习的VR应用，注重用户舒适度、可定制的环境、引导层级以及可调整的交互模式，旨在帮助用户在安全可控的环境中培养正念意识[23]。

在医疗保健与康复领域，VR界面有助于治疗、康复以及提升用户福祉[24]。拉马塞里·钱德拉等人对虚拟现实环境中常见的“网络眩晕”现象进行了系统研究，分析了其成因，并提出了减少不适感、提升虚拟体验质量的指南[25]。韦利奇科维奇与米洛瓦诺维奇则研究了VR康复中的具体设计因素，发现用户导航方式是导致网络眩晕的主要原因[26]。亚哈亚等人进一步提出了降低沉浸式VR应用中网络眩晕风险的策略，尤其是在儿童道路安全教育领域[27]。

可访问性与包容性也是当前VR研究的重要主题。张等人提出了针对残障人士的包容性虚拟形象设计指南，涵盖了虚拟形象的外观、身体动作、辅助技术、外部设备以及自定义控制等方面[28]。何等人则开发了一种无需校准的混合脑机接口系统，可实现无需手持设备的虚拟现实控制，尤其适用于行动能力受限的用户[29]。伊贾兹等人则为适合老年人的界面设计提出了建议[30]。卡拉伊塞尔维等人则研究了低视力用户在VR中的手势识别技术，提出了一种新的交互方式，能够提升用户的沉浸感、满意度以及任务完成效率[31]。

因此，VR中的用户界面设计一直在传统桌面操作模式的约束下不断发展，这促使人们积极探索替代性的界面模型与交互技术。虚拟现实带来了诸多独特挑战，如视野范围、用户定位、缺乏明确的参考平面以及与深度相关的复杂性等问题，这些问题与平面二维显示器有很大不同，必须予以充分考虑[32]。

以往的研究主要探讨了各种类型的用户界面，如图形用户界面和自然用户界面，尤其是在沉浸式环境中的应用。雷加佐尼等人提出了VR中自然用户界面的设计指南，重点关注可用性、人体工程学以及手势交互[33]。卡多纳-雷耶斯等人则在这些指南的基础上，开发出了用于帮助ADHD儿童进行治疗的界面设计方案[34]。与自然用户界面类似，三维图形用户界面也缺乏系统的设计准则，要理解这类系统的认知负荷，就需要考虑多种变量[35]。考尔与亚米亚瓦尔则比较了二维与三维界面元素，为三维图形用户界面设计了相应的指南[36]。

研究还集中在菜单、按钮、键盘等界面元素的设计以及VR中的文本可读性方面。诸如开放式手掌菜单、双击菜单以及手风琴式菜单等多种菜单设计方案，展示了VR中菜单的不同布局方式以及不同的交互类型。潘迪与索拉西亚提出的创新性三维六边形菜单则采用三维设计思路，提升了用户的沉浸感与交互便捷性，其效果优于传统的二维设计[10]。金与熊则为按钮设计加入了伪触觉功能，能够在VR环境中模拟反馈效果，从而提升用户体验与满意度[40]。达德利等人比较了VR中的多种键盘输入方式，发现使用实体表面以及双指交互方式能提高输入速度[41]。丁格勒等人则研究了视角高度、聚散距离、视图框参数以及文本字体和背景等因素，明确了提升VR中文本可读性的用户偏好[42]。

在VR用户界面设计中，选择有效的交互机制与导航策略至关重要，因为它们会直接影响用户体验。莱恩与苏克研究了基于手势的交互如何影响用户在VR中的沉浸感，他们确定了潜在的沉浸感影响因素，并提出了用于设计和评估基于手势的沉浸式环境的框架[43]。拜姆则比较了三种常见的VR交互方式，即虚拟激光指针、点击操作以及方向键选择，通过测试评估了用户的操作表现与偏好，最终认为虚拟激光指针和点击操作更适合用于VR选择任务[2]。此外，金等人还提出并评估了一种基于视线追踪的移动VR用户界面，研究表明，基于视野范围、反馈系统、信息传递方式以及背景颜色等要素设计的不同界面，会影响用户的沉浸感、存在感、使用便捷性以及VR眩晕的风险[44]。

移动与导航技术也同样重要。森尼德与赫德兰德概述了多种移动方式，包括传送功能与游戏手柄操控[45]。奥塔兰与法尔哈特迪诺夫研究了用户对不同界面的偏好，而拜姆的研究则明确指出，与游戏手柄导航相比，传送功能更能提升用户舒适度[2]。此外，贝克塔斯等人还推出了“边缘椅”这一具身式VR界面，它允许用户独立移动双腿，相比游戏手柄而言，尽管性能稍慢且操作负担更高，但仍有潜力降低模拟器眩晕现象并提升特定VR场景中的沉浸感。

综上所述，所有相关研究都强调了VR用户界面设计在提升各种VR应用中的沉浸感、可用性、舒适度以及可访问性方面的重要作用。尽管之前的研究已经探讨了各个独立的界面组件、交互技术以及应用场景，但这些成果仍分散在不同领域之间，缺乏统一的框架以便实际应用。本文通过全面分析现有文献，并通过FlUId应用程序进行概念验证，提出了一套统一的界面设计指南框架，有助于设计师打造更高效、更舒适且更具可访问性的VR界面。

方法论
我们采用了多步骤的方法论，首先通过系统性文献综述来梳理和整合现有的设计指南，随后制定了28条分类明确的界面设计建议，最后将这些建议应用于一个VR原型应用程序中。为评估这些指南的可用性与有效性，我们开展了用户研究，对比了遵循与未遵循这些建议所设计的界面效果。

结果
通过对调查反馈的分析，我们评估了两种设计在可用性、舒适度、清晰度以及整体体验方面的差异，同时研究了用户接触每种设计的顺序对其评价的影响。

讨论
本研究的结果表明，经过整合的VR用户界面设计指南具有显著效果，能够在实际应用中提升用户体验。具体而言，采用文献综述中总结的最佳实践设计的“设计一”在各项指标上都明显优于“设计二”。参与者对“设计一”的平均评分高出46%（5分制下分别为4.57分和3.13分）。威尔科克森符号秩检验的结果也证实了这种偏好性。

未来工作
虽然本研究已经成功建立了完善的VR用户界面设计指南框架，并通过FlUId应用程序验证了其有效性，但仍有许多改进空间。接下来的工作之一是将本研究中的设置菜单设计整合到完整的VR应用程序中。这样就可以在更复杂的真实环境中测试这些指南，因为在实际环境中用户会将与界面的交互作为其主要任务。结论：本研究通过整合现有文献形成一套最佳实践，并通过用户研究对其进行验证，从而解决了缺乏统一的虚拟现实用户界面设计指南的问题。它提出了一种结构化的VR UI设计集成框架，有助于根据可用性影响来确定实施优先级。通过对FlUId VR应用程序的开发和评估，该研究表明应用这些指南能显著提升用户体验。作者贡献说明：Esin Mehmedova：方法论、初稿撰写、调查、数据收集。Santiago Berrezueta-Guzman：概念设计、初稿撰写、指导。Stefan Wagner：概念设计、初稿撰写、指导。利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益或可能影响本文所述工作的个人关系。致谢：本研究得到了慕尼黑工业大学TUM Campus Heilbronn 2024年度激励基金的支持。我们衷心感谢他们的支持，正是这些资源与机会使得本研究得以开展。