虚拟地理环境的智能交互研究进展及其耦合联动方案.pdf

第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期：2023-02-27基金项目：国家自然科学基金（42271464）作者简介：郭平（1975-），女，副研究员，主要研究方向为地理环境、科研管理通信作者：刘睿（1986-），女，助理研究员，博士，主要研究方向为技术成果评价与科技政策研究文章编号：1004-3918（2023）08-1152-07虚拟地理环境的智能交互研究进展及其耦合联动方案郭平1，黎雪儿2，刘睿1，耿峰1，张德崇1（1.河南省科学院，郑州450046；2.战略支援部队信息工程大学 地理空间信息学院，郑州450001）摘要：虚拟地理环境是表示和模拟真实世界的有效工具，如何建立环境到人的刺激评估交互过程是需要考虑的问题.目前多维度、多模式地理环境可视化系统的交互和反馈方式比较割裂，整体认知耦合性仍存在不足.总结虚拟地理环境智能交互研究现状，并对二、三维地理环境联动耦合认知进行研究.提出使用3D打印技术、电子地图技术、二维条形码技术和图像识别技术等构建二、三维耦合模型，探索系统自适应匹配联动耦合认知方案；在模型中采用以眼动控制交互技术为主，辅以语音、手势等自然交互方式，优化资源分配和认知效果，提升地理信息传输和认知交互效率；然后，对虚实地理空间多通道认知负荷进行分析，通过眼动参数指标量化监控、分析和优化认知负荷，提出基于注视点渲染的认知效能优化理论模型，提升交互体验.关键词：多维度；虚拟地理环境；交互；耦合联动；眼动；认知负荷中图分类号：P 28；P 209文献标识码：AProgress and Trends of Intelligent Interaction Research in VirtualGeographic EnvironmentsGUO Ping1，LI Xue er2，LIU Rui1，GENG Feng1，ZHANG Dechong1（1.Henan Academy of Sciences，Zhengzhou 450046，China；2.The School of Surveying and Mapping，PLA Strategic Support Force Information Engineering University，Zhengzhou 450001，China）Abstract：The virtual geographic environment is an effective tool to represent and simulate the real world，and how toestablish the interaction process from environment to human stimulus evaluation is a problem that needs to beconsidered.Considering the situation of independent fragmentation of the current multi-dimensional and multi-modal geographic environmental cognitive research，this paper summarizes the current status of intelligent interactionresearch of virtual geographic environments and investigates the coupled cognition of two and three-dimensionalgeographic environment linkage.Firstly，we use three-dimensional printing technology，electronic map technology，two-dimensional barcode technology，and image recognition technology to construct a two-three-dimensionalcoupling model and explore the system adaptive matching linkage coupling cognition method.In the model，eye-movement control interaction technology is mainly used，supplemented by natural interaction methods such as voiceand gestures，to optimize resource allocation and cognitive effects，and to improve the efficiency of geographicinformation transmission and cognitive interaction.Then，the multi-channel cognitive load of virtual and realgeographic space is analyzed，and the cognitive load is quantitatively monitored，analyzed and optimized by eye-movement parameter indexes.A theoretical model of cognitive effectiveness optimization based on gaze pointrendering is proposed to improve interaction experience.Key words：multi-dimension；virtual geographic environments；interaction；linkage coupling；eye movement；cognitive load人类通过视觉、听觉、触觉等认知通道，认识周围环境中各种事物的存在位置和变化规律1.但目前各种维度的地理环境以及对其进行实体、模拟、增强、虚拟表达的多模式地理环境可视化系统等2-5，不能形成实时联动的认知映射，交互和反馈方式彼此割裂，缺少多维度、多模式地理环境的整体认知耦合性.理论框架支撑不足、认知通道单一、智能化程度不高、交互体验不够友好等问题，大大制约了人类空间认知效能的发挥.本文综述了虚拟地理环境智能交互的研究现状，并基于地理学、地图学、认知科学、实验心理学、计算机科学等相关理论，提出了采用3D打印技术、GIS技术、BIM技术、AR/VR技术等6-8，拟构建包含耦合范式和映射关系的多维、多模式地理环境认知理论框架，探讨实体与模拟空间、室内与室外空间、实景与虚拟空间的一体化实时联动匹配方案、智能控制反馈机制、时空数据集成策略、认知负荷分析及效能优化模型，创新性地尝试了眼动、语音、手势在自然交互与智能控制方面的作用.本研究能够为个性化、智能化、自适应的全域地理信息服务提供参考，是多学科技术交叉创新的有益尝试.1虚拟地理环境虚拟地理环境（Virtual Geographic Environments VGEs）9-11自1998年在会议上第一次被提出来至今20余年，经历了几个阶段的发展12-13，从萌芽期到探索期，再到爆发期，最后到目前的平稳期.目前虚拟地理环境的研究主要从地理可视化、沉浸式、地理模拟和地理协作上理解地理和解决问题.其定义在其演变阶段，随着地图学、计算机、人机交互等领域不断发展，不断修改.21世纪初，林珲教授和龚建华教授正式建立虚拟地理环境的概念，将其定义为包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境9.广义上是现实地理环境之外的所有地理环境的统称，既包括了地理环境在人脑中的写照以及各种形象思维所产生的“象”，如“心象地图”“头脑中的地理场景”等；又包括了借助各种介质与媒体实现的对存在或者不存在、可感知或者不可感知的地理环境的抽象、再现和虚构；还可以用于网络空间以地理位置为特征的信息空间刻画与描述；狭义上的虚拟地理环境可以认为是一种由计算机生成的数字化地理环境，可通过多通道人机交互、分布式地理建模与模拟、网络空间地理协同等手段实现对复杂地理系统的感知、认知和综合实验分析14.虚拟地理环境的表现形式上，包括二维、三维、多维度之间地理环境可视化的联动15，地理过程和环境的多维动态模拟表达16，基于地图的增强现实表达17，地理知识可视化18，谷歌街景集成虚拟现实眼镜的虚拟沉浸式环境19等.虚拟地理环境是新一代地理分析的工具20-21，它的兴起为地理学研究提供新的科学方法和实验手段，提出了基于虚拟地理环境的虚拟地理实验方法22-26，也是地理教育27-29、智慧城市30-31、灾害管理32-35等领域的应用工具.虚拟地理环境具有多领域、多协同、多交互、多模型、多感知的特点，包括数据和模型的双核、多维和多模式可视化，多渠道互动，多类型地理协作，从虚拟到现实的以人为中心的互动等虚拟地理环境借助VR、AR、MR的发展，也取得了很大的发展进步，可以为用户提供更加自然、真实的感知和体验.但是虚拟地理环境和其他基于VR、AR、MR技术的环境之间的区别在于主体是地理环境，不仅仅是一个地理空间，还包含自然因素和社会因素综合而成的人类社会存在和发展的表面，关注静态空间变化和动态演化过程36.2虚拟交互技术先前虚拟地理环境的工作集中于表示和模拟真实世界，但虚拟地理环境建立在信息系统和地理信息科学的基础上，相当重视用户与软件的交互方式37，并且虚拟地理环境强调以人为核心，如何将用户置于其中，以最接近人类自然的交流方式表达，并建立一个用户响应机制，提升虚拟地理环境的人机交互模式是当前及未来研究的核心内容.在理论指导层面，贾奋励等22从系统论角度进行虚拟地理环境认知研究；林珲等9-11，41从1998年虚拟地引用格式：郭平，黎雪儿，刘睿，等.虚拟地理环境的智能交互研究进展及其耦合联动方案 J.河南科学，2023，41（8）：1152-1158.-1153第41卷 第期河 南 科 学2023年8月理环境一词提出来至今，一直致力于虚拟地理环境的研究，不断探讨虚拟地理环境研究的新态势，探究从传统地图发展至虚拟地理环境，地理学语言的演变38及“以用户为中心”的虚拟地理环境地理学语言特征39，建立了虚拟地理环境的计算框架40.虚拟地理环境带来新的认知挑战，胡香等42认为用户群体间差异性大，针对不同群体有不同的设计思路，并提出来面向军事指挥人员的虚拟地理环境设计思路.在实际应用方面，虚拟地理环境的人机交互模式得到了发展.Chen和Lin36认为虚拟地理环境的交互式组件反映了支持多通道地理交互工具的设计，该组件是用户和虚拟场景之间的桥梁.对于用户来说，交互可以通过视觉、听觉、触摸、嗅觉和味觉进行感知和通过鼠标、手势或语音进行操纵，传统的键盘和鼠标正被语音、手势、动作甚至脑电波所取代，这极大地促进了用户的沉浸感43.手势识别技术可引入到虚拟地理环境中，基于计算机视觉的手势识别交互手段既直观又简单，可通过手势实现浏览时的缩放、选择等，还可以通过特定的手势实现设定飞行路径、调整飞行位置、高度、俯视角以及修改光照和阴影效果等复杂的漫游功能44.魏勇45研究虚拟地理环境中语义信息的组成，将语义信息引入三维交互过程，提出虚拟地理环境中基于语义的三维交互概念；李颖46提出虚拟海洋场景体感交互扩展系统框架，设计简单高效的手势语义集合，实现手势实时体感控制海浪、海洋光照、战舰等海洋军事元素；Zhou和Bai47提出一个虚拟现实环境中用于与二维地图交互的用户自定义手势项目，可用于多尺度界面交互.虚拟地理环境可借助VR、AR前沿技术的发展.VR交互技术48，包括用户直接交互，借助体感交互设备如使用手部跟踪、用户姿势识别、指向、凝视方向、语音识别等来指定交互任务的相关参数；物理控制交互，借助手持交互设备如游戏手柄、操纵杆、方向盘、转盘等手持或手握设备帮助用户完成交互任务；AR交互技术49，常见交互方式如语音交互与自然手势交互等，AR交互技术还不够成熟，容易发生视觉冲突、行为干扰等问题.针对用户群体，多人同时沉浸于某一虚拟地理环境，在虚拟地理环境中协同交互的需求，袁帅等50使用动作捕捉技术作为VGEs中人机交互的重要手段，将交互分为用户与用户之间的交互与用户与虚拟地理环境之间的交互；徐丙立等51构建以角色扮演、角色权限、角色感知、角色思维、角色行为、角色表达为支撑的角色模型，有助于协同参与者与虚拟地理环境平台之间的耦合；陈旭和陈斌52基于全景影像序列与三维模型构建虚拟场景，将沉浸式多人协同交互模式分为使用者之间的交互，使用者与虚拟对象之间的交互以及使用者与虚拟环境之间的交互，实现共同标注、研讨.不同的地标标注方法、类型，会造成交互时不同的感受，李义双等53设计实验在无地标、视觉地标、听觉地标三种条件下完成导航任务，得到虚拟环境下不同导航条件下的差异；贾奋励等54采用虚拟地理实验，从颜色、形状、尺寸、可视性四方面构建地标视觉显著度模型.虚拟地理环境是表示和模拟真实世界的有效工具，而我们还需要对虚拟地理环境进行认知评估研究，这需要收集用户的反馈信息，因此如何建立环境到人的刺激评估是需要考虑的问题，并且在虚拟地理环境中实现地理交互以实现“自然”的感觉和舒适的操作仍然是一个具体的挑战.3虚拟地理环境耦合模型联动匹配及智能交互方法研究3.1二、三维虚拟地理环境联动匹配方案1）二、三维模拟环境构建.研究数据分层、筛选及地理信息数据库的构建方法；基于3D打印技术、GIS技术创建三维实体环境沙盘模型、二维电子地图模拟环境模型55-56，并预设交互API接口、反馈方式.2）智能识别及精准匹配.采用四角传感方法锁定二、三维环境关联区域；对重点地区和标志性地物，在三维实体地图沙盘上埋设二维条形码，在电子地图端构建相应的标识信息和指令库57；对于一般性地物，采用图像识别和检索的方法进行影像匹配.3）二维地图沙盘设计.对于同源数据，应用GIS技术构建二维电子地图模拟地理环境沙盘，并预留语音模式识别、眼动追踪交互、手势解译控制、多媒体信息显示等智能控制API接口58-62.借助眼动、语音、手势等智能交互方式，当在电子地图沙盘上选择某点、线、面的时候，通过控制器触发射灯投影、激光指示等三维实体环境实时反馈；当在三维实体沙盘上眼动注视、语音控制、手势选取某热点或热区的时候，二维电子地图模拟沙盘上能够突出显示，并自适应查询并展示属性信息.-11544）三维沙盘模型设计.通过数据分层及筛选，采用3D打印技术构建三维实体沙盘，基于智能交互技术和多媒体显示技术63，实现对模型灯光的智能控制，以语音、文字、图片和视频图像等形式同步展示模型沙盘中的各类相关信息，让用户生动、形象、快速、准确地认识和了解模型沙盘所展示的内容，达到全方位、互动式的多媒体展示效果，有效实现实体地理信息展示的目的.3.2二、三维虚拟地理环境智能交互控制及反馈机制1）反馈机制.采用红外眼动仪对用户的视线轨迹进行追踪，当注视二维电子地图时，自动捕获注视兴趣点和兴趣区64，三维实体环境通过LED灯显和投影等方式联动响应；当注视三维实体环境时，二维电子地图内的相应地物通过二维条形码、图像识别等方法自适应联动定位和属性查询显示；辅以语音、手势等智能交互控制.在以上联动系统中，拟实现通过眼动、语音、手势等智能交互手段在二维电子地图上与某点、线、面模拟符号交互，三维实体沙盘上的对应区域实时反馈；或者在三维实体沙盘上基于图像匹配技术和二维码识别技术实现直接智能交互，二维电子地图的对应区域也能实时反馈的联动效果.2）眼动交互控制模块设计.提前在三维实体地图沙盘上埋设重点地区和标志性地物二维条形码，在电子地图端构建相应的标识信息和指令库，并采用红外眼动仪对用户的视线轨迹进行追踪.当注视电子地图时，通过比较实际注视时间与规定时间阈值的大小，判断是否触发选择点、线、面地图要素，当注视时长大于阈值时，认为在发生认知信息加工过程，当注视点在区域内时，触发点、线、面要素的突出显示，同时通过控制器触发LED灯光、射灯投影、激光指示等三维实体环境实时反馈.当注视三维实体沙盘时，首先采用四角传感方法锁定认知对象区域，通过判断长时注视是否发生在预先埋设在热点热区的二维码范围内，控制LED灯亮；对于一般性地物，采用图像识别和检索的方法，将三维实体地图沙盘局部影像与二维电子地图影像库中的影像相匹配，进而触发二维电子地图上对应地物的突出显示，并自适应查询其属性信息.3）语音交互控制模块设计.依据语音信号，通过计算机上预置的语音API完成语音识别、语义理解和检索，以关键字输入控制相应地区的二、三维沙盘联动反馈，调用相应的多媒体资源辅助认知，并在多媒体设备（投影设备）和声音播报系统（功放、音响）上进行显示.同时，将相应的控制指令发送给嵌入式灯光控制器，灯光控制器根据控制命令同步控制LED灯光点亮或熄灭模式，在沙盘上进行信息展示.4）手势交互控制模块设计.依据数据手套传感信号，收集方向或确认任务信息，通过电子地图预设API接口实现电子地图的漫游和放缩.3.3虚实一体化认知负荷分析及效能优化模型1）虚拟地理空间的构成及特点分析.主要包括增强地理环境、虚拟地理环境、赛博地理环境等的概念、特点、差异，以及虚拟空间与实景空间中的地理要素映射语义关系、符号设计表达规则等.2）虚实地理空间多通道认知负荷分析.包括赛博地理环境中的视觉注意及选择机制；VR虚拟地理环境中，视觉、听觉、触觉等各认知通道生理特点、协同认知方式；AR增强现实地理环境中，虚实地物叠加对于综合认知效果的增强或削弱机制；增强、虚拟地理环境的认知带宽及影响因素；MR混合感知界限、认知融合及联动方法；记录首次注视时间、注视点个数、回视次数等眼动指标参数，实时监控并量化分析认知负荷.3）基于注视点渲染的认知效能优化理论模型构建.基于人眼中央视觉注视信息加工、边缘视觉概览全局的分工规律，采用眼动追踪技术实时捕获注视点，对于视觉焦点处纹理进行细粒度超清渲染，其他边缘地区粗粒度构建，渲染焦点随注视点实时转移、优化模型并迭代重建，节省硬件带宽，提升交互体验.3.4地理环境耦合联动系统的实现以认知心理学与地图学理论搭建基础理论框架，使用3D打印、GIS、BIM、AR/VR等技术，四角传感、二维码、图像识别等构建匹配技术，眼动、语音、手势等自然交互技术建立二、三维耦合地理环境模型，对多维、多模式地理环境模型一体化耦合认知，包括实体与模拟空间、室内与室外空间、实景与虚拟空间等各种地理环境一体化联合认知以及智能交互方法进行研究.系统功能模块主要包含交互指令输入、计算机控制中心、多媒体显示、嵌入式控制、沙盘模型等五个模块（如图1）.引用格式：郭平，黎雪儿，刘睿，等.虚拟地理环境的智能交互研究进展及其耦合联动方案 J.河南科学，2023，41（8）：1152-1158.-1155第41卷 第期河 南 科 学2023年8月红外眼动仪手势传感器投影机控制中心语音幕布灯光控制器功放音箱LED灯光控制沙盘交互指令输入模块：收集眼动、语音、手势信号，通过认知心理学解译，转换成相应操作指令，输入计算机控制中心.计算机控制中心：负责眼动、语音、手势信号的处理（眼控模式、语音识别、语义理解）、多媒体（声音、图片和视频）展示和传递相应控制命令给LED灯光控制器.多媒体显示模块：主要由投影机和幕布组成，负责与沙盘有关的文字、图片、影像、动画等多媒体信息的显示.嵌入式控制模块：负责与控制中心通信，接受二维电子地图上热点或热区的控制指令，同时控制LED灯光控制沙盘上的对应地点或区域的LED灯光的点亮模式.智能反馈沙盘：LED沙盘的沙盘模型搁置在沙盘底座上，沙盘底座中空.沙盘底座边上留两个位置，一个放置开关，一个放置控制器.线路板开两个小孔，用螺丝固定在沙盘底座上.LED灯珠、开关、控制器、变压器、蓄电池、线路板之间用导线连结.使用时，只需打开开关，接通电源，给线路板供电，用控制器接收电子地图指令，控制点亮相应模型中的LED灯珠.低压供电，安全实用.另外还设计有射灯投影、激光指示等反馈方式.4结语目前，多维、多模式地理可视化系统还不能形成有机联系或联动反馈的认知整体，地理信息认知通道、认知效能等理论研究相对滞后，认知带宽浪费、信息损耗严重、交互方式不够智能友好等问题，大大制约了人类空间认知能力的发挥和提升.本文以地理科学为学科背景，总结当前虚拟地理环境智能交互现状，以空间认知为理论基础，采用3D打印技术、电子地图技术、二维条形码技术和图像识别技术等构建二、三维实体空间、模拟空间、实景空间、虚拟空间，以眼动交互为主要技术手段，辅以语音、手势等自然交互方式，着眼于地理环境模型耦合认知及智能交互方法研究，在多维、多模式地理环境认知机理研究的基础上，研究实体与模拟空间、室内与室外空间、实景与虚拟空间等各种地理环境的一体化实时联动认知、智能控制反馈机制、中台模型及时空数据集成策略、认知负荷分析及效能优化模型等问题，旨在借助眼动追踪技术、语音识别技术、手势解译技术，实现多维、多模式地理环境友好交互、智能控制、实时联动、优势互补，从而达到优化资源分配、降低认知能耗、提高地理信息传输效率、提升地理环境综合认知效果和用户空间认知满意度的目的，并且提出基于注视点渲染技术的虚实空间一体化认知负荷分析及优化方法，模拟人眼的中央视觉和边缘视觉分工机制，通过眼动参数指标量化监控、分析和优化认知负荷，大大降低虚拟地理环境的认知能耗及硬件带宽.本文研究成果具有理论价值和应用价值，其中认知理论框架、实时联动机制等理论研究，对于突破多维、多模式地理空间综合认知瓶颈具有一定推动作用；联动中台模型、时空集成策略等技术研究，对于摆脱测绘地理信息数据和行业桎梏，开拓BIM与GIS融合新方向具有一定的探索作用；以眼动追踪技术为主的自然交互控制、基于注视点渲染的虚拟环境认知负荷优化等研究，为生物信息智能技术在地理环境中的应用提供了可以借鉴的范例.成果还可以广泛应用于智慧城市、时空大数据、智能驾驶、军事战场环境认知等领图1地理环境耦合联动及智能控制结构图Fig.1Geographical environment coupling linkage and intelligent control structure diagram-1156域，为其科学研究、技术创新和产业化拓宽了广阔前景，为个性化、智能化、自适应的全域地理信息服务提供依据，是多学科技术交叉创新的有益尝试.参考文献：1 罗布 基钦，马克 布莱兹.地理空间认知 M.万刚，曲云英，陈晓慧，等，译.北京：测绘出版社，2018.2 WANG C，CHEN Y，ZHENG S，et al.Gender and age differences in using indoor maps for wayfinding in real environments J.ISPRS International Journal of Geo-Information，2018，8（1）：11.3 FOULSHAM T，WALKER E，KINGSTONE A.The where what and when of gaze allocation in the lab and the natural environment J.Vision Research，2011，51（17）：1920-1931.4 DONG W，LIAO H，LIU B，et al.Comparing pedestriansgaze behavior in desktop and in real environments J.Cartographyand Geographic Information Science，2020，47（5）：432-451.5 DONG W，QIN T，YANG T，et al.Wayfinding behavior and spatial knowledge acquisition：Are they the same in virtual realityand in real-world environments？J.Annals of the American Association of Geographers，2022，112（1）：226-246.6 徐晗，徐金花，张馨瑜，等.3D打印技术在建筑领域的应用 J.建筑设计管理，2020，37（6）：85-89.7 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