CC BY
113
УДК 004.514, 004.514.6 ББК 30.17
О ПОДХОДЕ К РЕАЛИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ЧЕТЫРЕХМЕРНЫХ СРЕД ЧЕЛОВЕКО-КОМПЬЮТЕРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ1
Зуев А. С.2
(Московский государственный университет приборостроения и информатики, Москва)
Представлен обзор основных подходов, используемых для реализации ГПИ в виде виртуальных двухмерных и трехмерных сред человеко-компьютерного взаимодействия. На основе специальных визуальных эффектов сформирован подход к реализации виртуальных четырехмерных сред человеко-компьютерного взаимодействия. Изложено описание функциональных возможностей программной модели FDC, реализующей прототип данной среды, а также основных принципов организации работы пользователя в ней.
Ключевые слова: человеко-компьютерное взаимодействие, человеко-машинное взаимодействие, графический интерфейс, непосредственное манипулирование, эргономика программного обеспечения, пространственный интерфейс.
1. Введение
Прогресс в развитии компьютерной техники сопровождается расширением возможностей мультимедиа, поиском и совершенствованием подходов к обеспечению качественного взаимодействия человека с растущим разнообразием видов ЭВМ. Исследованию аспектов организации работы пользователя с программным обеспечением (ПО) и компьютерной техникой (КТ)
1 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Ученого Совета МГУПИ.
2 Зуев Андрей Сергеевич, кандидат технических наук (Zuev_Andrey@mail. га).
посвящены труды многих авторов. Для современного потребителя ПО и КТ особенности их использования являются не менее значимым критерием выбора, чем функциональные возможности. Коммерческие успехи ПО и КТ во многом определяются удобством эксплуатации, что вынуждает производителей совершенствовать принципы и средства организации человеко-компьютерного взаимодействия (ЧКВ, HCl - human-computer interaction [1], ЧМВ - человеко-машинное взаимодействие).
Человеко-компьютерное взаимодействие - это широкая научная и прикладная дисциплина, предметом изучения которой является то, как люди используют компьютеры и как следует разрабатывать компьютерные системы, чтобы обеспечить более эффективное их использование [4]. Однако в зависимости от контекста под аббревиатурой HCI подразумевается не только полидисциплинарное научное направление, но и процесс управления, в котором пользователь является субъектом, а программные и технические средства - объектами.
Необходимой составляющей ПО, используемого в интерактивном режиме, является пользовательский интерфейс - совокупность средств, методов и правил, регламентирующая и обеспечивающая взаимодействие человека с программным продуктом и компьютером. Графический пользовательский интерфейс (ГПИ, GUI - graphical user interface, ГИП - графический интерфейс пользователя) основан на визуализации объектов и процесса взаимодействия пользователя с программными и техническими средствами [2], обеспечивает виртуальную интерактивную среду управления их работой. Интерактивность ГПИ проявляется, например, в учете позиции курсора на дисплее и состава выбранных объектов (текст, таблица, рисунок и т.п.), для которых предусмотрены опции, реализуемые с помощью определенного набора элементов интерфейса.
В настоящее время в программных продуктах (ПП) и ПО компьютерной техники, в мобильных (смартфоны, планшетные компьютеры и т.п.) и игровых (PlayStation Portable, Xbox 360 Kinect и т.п.) устройствах для организации взаимодействия с пользователем реализованы принципы непосредственного манипулирования (DM - direct manipulation) с ГПИ класса WIMP (Windows, Icons, Menus, Pointing device - окна, пиктограммы, 46
меню, позиционирующее устройство). Концепция DM позволяет пользователю не отдавать I II I и ПО команды, а манипулировать элементами ГПИ [6]. На верхнем уровне систем непосредственного манипулирования обычно находится одна из метафор графического представления [9]. Например, широко применима метафора рабочий стол, определяющая первичную рабочую область - основное окно графической среды пользователя вместе с добавляемыми в него объектами и фоновым изображением [2].
Концепция WIMP-интерфейса была представлена в компьютере Alto, разработанном в Xerox PARC [20], ее первая реализация выполнена в компьютере Apple Macintosh. С развитием мультимедиа и компьютерной техники, посредством реализации специальных визуальных и анимационных эффектов, стала возможна реализация пространственных интерфейсов [4]. Симуляция трехмерного (объемного) виртуального пространства размещения элементов интерфейса WIMP позволяет реализовать более привычную для пользователя среду HCI (аналог реального трехмерного пространства).
В настоящее время конкурентоспособность I II I и многих видов компьютерной техники (игровых устройств, мобильных телефонов, смартфонов, планшетных компьютеров и т.п.) существенно зависит от особенностей организации человеко-компьютерного взаимодействия как процесса управления их работой. Одним из перспективных направлений исследований в сфере HCI является расширение возможностей и совершенствование эргономики пространственных интерфейсов в ГПИ и конкретных средах человеко-компьютерного взаимодействия.
2. Обзор основных подходов к реализации виртуальных сред человеко-компьютерного взаимодействия
В настоящее время различными разработчиками ПО создано множество сред человеко-компьютерного взаимодействия, основанных на реализации виртуальных двухмерных и трехмерных пространств. Данная статья содержит обзор наиболее распространенных подходов к организации HCI и вариантов их реализации. Отметим, что все подходы направлены на решение
одной задачи - организации работы пользователя в виртуальной среде. Более развернутый обзор изложен в частности в [10]. На рис. 1-4 представлены примеры подходов, реализуемых при создании виртуальных трехмерных сред НС1.
В приложении ВитрТор [8] объекты (файлы, ярлыки, папки, окна и т.д.) располагаются на внутренних поверхностях граней куба, а в среде KDE's Kwin 4.4 - на внешних [11], рис. 1.
Рис. 1. Среда BumpTop (вверху) и среда KDE's ^т 4.4 (внизу)
Данные приложения иллюстрируют принципиально различающиеся подходы к симуляции виртуальных трехмерных сред
48
HCI. В BumpTop пользователь взаимодействует с внутренним пространством виртуального трехмерного объекта (в данной реализации - куба), метафорой которого может являться офисная секция с рабочим столом и вертикальными перегородками. В KDE's Kwin 4.4 пользователь имеет доступ к внешним граням виртуального куба, являющегося частным случаем многогранника [13]. В приложении BumpTop пользователю доступно 4 плоскости размещения объектов из 5, одна видна полностью и 3 частично. В KDE's Kwin 4.4 пользователю одновременно могут быть полностью видны 2 плоскости из 4, за которыми, благодаря прозрачности, частично видны остальные.
В iPhone 4 и iPad 2 с помощью фронтальной камеры доступно распознавание направления взгляда пользователя и симуляция трехмерного интерфейса соответствующей проекцией на дисплей [12], во многих приложениях и средах для мобильных устройств (например, SPB Shell 3D [19]) доступен просмотр панелей с объектами WIMP интерфейса в виртуальном трехмерном пространстве, рис. 2.
Трехмерный интерфейс iPhone 4 и iPad 2 реализует подход, аналогичный использованному в приложении BumpTop, однако пользователь полностью видит от 3 до 5 плоскостей, в зависимости от направления взгляда - положения головы относительно фронтальной камеры. Концепция информационных панелей основана на подходе, аналогичном реализованному в приложении KDE's Kwin 4.4, за тем исключением, что метафорой является не куб, а составленный из панелей «барабан», на котором одновременно полностью могут быть видны 2 или 3 панели.
Отдельным подходом является отображение объектов в виртуальных трехмерных помещениях, с использованием метафор элементов интерьера. Современным примером интерфейсов, реализующих данный подход, является приложение 3DNA Desktop, рис. 3. Однако основы данного подхода значительно раньше были реализованы в интерфейсах приложений Broderbund Playroom [5], Magic Cup и Microsoft Bob [10].
Рис. 2. Трехмерный интерфейс iPhone 4 и iPad 2 (вверху), информационные панели (внизу)
Рис. 3. Пример виртуальных трехмерных помещений в среде приложения 3DNA Desktop
Одним из перспективных направлений исследований в сфере HCI является разработка и применение голографических интерфейсов. На рис. 4 приведен пример реализации данного интерфейса в устройстве HoloDesk [14] компании Microsoft.
Рис. 4. Пример голографического интерфейса
Расширение сферы интерактивного человеко-компьютерного взаимодействия за границы экрана, исключение необходимости физического контакта с устройствами КТ, исключение из состава самих устройств дисплея как наибольшей по размеру составляющей представляется перспективным направлением развития пространственных интерфейсов. Посредством голографических интерфейсов потенциально может быть реализован любой подход к созданию виртуальных сред HCI.
Общим в рассмотренных выше подходах и соответствующих направлениях исследований является принятое ограничение размерности (трехмерность) виртуального информационного пространства и реализуемой на его основе среды HCI.
При реализации виртуальной двухмерной среды человеко-компьютерного взаимодействия доступен более ограниченный набор подходов. Наиболее распространенные из них использованы в операционных системах и ПО Microsoft. На рис. 5 вверху приведен пример режима переключения задач Flip 3D в Windows Vista и Windows 7 [21] (окна отображаются частично перекрывающимся каскадом, что облегчает их обзор в условиях ограниченной площади экрана). На рис. 5 внизу приведен пример интерфейса «Metro» Windows 8, ориентированного на сенсорные устройства [22]. Вместо рабочего стола реализован стартовый экран с интерактивными панелями. Панели отображают названия и фрагменты приложений, предусмотрены опции их прокрутки, группировки, изменения размеров и положения.
Режим переключения задач Flip 3D иллюстрирует подход к «многослойному» отображению объектов с целью размещения максимального их количества на ограниченной площади экрана с учетом удобства просмотра пользователем. Интерфейс «Metro» иллюстрирует подход к «однослойному» отображению объектов на виртуальной плоскости, превосходящей по размеру экран. При этом доступ к объектам реализован посредством просмотра (листания) частей данной плоскости с возможностью увеличения размера отдельных объектов.
Рис. 5. Пример режима переключения задач Flip 3D (вверху) и интерфейса «Metro» (внизу)
Необходимо отметить такой подход к организации двухмерных виртуальных сред человеко-компьютерного взаимодействия как масштабируемый интерфейс (Zooming User Interface, Zoomable User Interface). Примером его реализации является приложение Eaglemode [7], в котором рабочая область представлена плоскостью размещения объектов, свойства и содержание которых становятся доступны по мере увеличения масштаба, рис. 6. Данный подход отличается от реализованного в интерфейсе «Metro» принципом организации доступа к объек-
там, расположенным на плоскости, превышающей по размерам экран. Просмотр частей данной плоскости заменен изменением масштаба, отражающимся на всех объектах.
Рис. 6. Масштабируемый интерфейс приложения Eaglemode
Отдельного внимания заслуживает подход к отображению объектов в виртуальном двухмерном пространстве на основе модели Пуанкаре [15]. Данный подход реализован в частности в
приложении Hyperbolic Browser для отображения больших иерархий на основе дерева [16]. Достаточные сведения о данном и подобных подходах к отображению иерархических структур могут быть получены, например, из [17]. На рис. 7. приведены иллюстрации последовательного перехода по ветвям дерева, отображаемого в пределах окружности. Корень выделен красным фоном, а текущая выбранная вершина - рамкой.
Рис. 7. Отображение иерархии в Hyperbolic Browser
Идеальный человекоориентированный интерфейс снижает участие интерфейса в работе пользователя до уровня применения привычных в полезном смысле объектов и действий [18]. В существующих средах HCI реализованы виртуальные двухмерные и трехмерные пространства, где принципы работы с различными объектами схожи привычной (реальной) среде деятельности пользователя. Вместе с тем виртуальное информационное пространство потенциально может обладать большей размерностью, ограничениями для которой являются возможности компьютерной техники и мультимедиа в контексте его представления, а также способности пользователя к его восприятию.
В связи с этим актуальны поиск подходов к организации работы пользователя в виртуальных средах HCI размерностью более 3 и исследование предоставляемых ими дополнительных возможностей организации человеко-компьютерного взаимодействия при условии соблюдения ориентации соответствующего интерфейса (и положенной в его основу метафоры) на поль-
зователя. Данные подходы априори не могут быть реализованы в реальности (на основе физических объектов в условиях трехмерного пространства), но должны базироваться на существующих подходах, успешно зарекомендовавших себя при организации виртуальных двухмерных и трехмерных сред НС1.
3. Предлагаемый подход к реализации виртуальных четырехмерных сред человеко-компьютерного взаимодействия
Трехмерная среда НС1 по сравнению с двухмерной обладает существенно большей «емкостью» виртуального пространства в контексте количества доступных для размещения объектов областей. Соответственно четырехмерная виртуальная среда НС1 по данному критерию будет значительно превосходить трехмерную. Автором выполняются исследования аспектов реализации специальных визуальных и анимационных эффектов для симуляции виртуальных четырехмерных пространств и сред человеко-компьютерного взаимодействия [3]. Предлагаемый подход заключается в следующем: на гранях вращаемого многогранника в режиме реального времени отображаются текстуры, соответствующие отдельным виртуальным трехмерным областям, содержащим отдельные множества объектов, изображения на текстурах (видимые части трехмерных областей) определяются положением соответствующих граней в составе многогранника относительно направления взгляда пользователя.
На рис. 8 (а, б, в) представлены макеты среды, отображающей виртуальные трехмерные пространства на гранях вращаемого куба, аналогичного среде KDE's Kwin 4.4. При этом каждая из граней куба является объемной, аналогично среде приложения ВитрТор. Четвертое виртуальное измерение позволяет реализовать «непересекающиеся» объемы виртуальных трехмерных пространств, соответствующих граням куба. На макетах приведены примеры нарушения внешних и/или внутренних пропорций куба - смещение ребер обеспечивает визуальные эффекты, позволяющие варьировать особенности восприятия объемов виртуальных трехмерных пространств. Нарушение внешних пропорций куба может требоваться для адаптации его
граней к отображению на прямоугольных мониторах, в том числе может динамически корректироваться в процессе вращения.
На рис. 8а и 8б приведены примеры виртуального четырехмерного пространства соответственно с уменьшенным и увеличенным объемом трехмерного пространства с желтым фоном. На рис. 8в внутренние пропорции куба не нарушены.
Рис. 8а. Пример виртуального четырехмерного пространства с уменьшением объема виртуального трехмерного пространства
Рис. 8б. Пример виртуального четырехмерного пространства с увеличением объема виртуального трехмерного пространства
Рис. 8в. Пример отображения виртуального четырехмерного пространства без искажения внутренних пропорций куба
На рис. 9 представлены макеты, иллюстрирующие примеры результатов симуляции виртуального четырехмерного пространства без нарушения внешних пропорций куба. Смещение внутренних ребер без нарушения внешних пропорций упрощает восприятие человеком и реализацию средствами мультимедиа.
В примерах на рис. 8 и 9 доступно 30 плоскостей размещения объектов. В зависимости от углов поворота куба по горизонтали и вертикали, пользователь одновременно может видеть следующие сочетания количеств полностью и частично отображенных плоскостей: 5 и 0; 4 и 0; 2 и 4; 1 и 6; 0 и 6; 0 и 7 и т.д. Количество вариантов и отображаемых при их реализации плоскостей значительно больше, чем у существующих подходов.
Заметим, что внутренние пропорции куба не обязательно должны быть статичными (фиксированными). Наличие опции их настройки позволит адаптировать виртуальное четырехмерное пространство под индивидуальные особенности восприятия и предпочтения конкретного человека.
На рис. 9а и 9б приведены примеры виртуального четырехмерного пространства соответственно с увеличенным и уменьшенным объемом трехмерного пространства с синим фоном. На рис. 9в внутренние пропорции куба не нарушены.
Рис. 9а. Пример симуляции четырехмерного пространства с увеличением объема виртуального трехмерного пространства
Рис. 9б. Пример симуляции четырехмерного пространства с уменьшением объема виртуального трехмерного пространства
Рис. 9в. Пример симуляции четырехмерного пространства без искажения внутренних пропорций куба
Приведенное на рис. 8 и 9 виртуальное четырехмерное пространство сформировано в результате объединения виртуальных трехмерных пространств, предназначенных для отображения объектов (папки, файлы, ярлыки и т.д.), окон приложений, результатов работы технических средств или, например, отдельной операционной системы. Это позволяет использовать предложенный подход как основу для реализации отдельного вида ГПИ, среды HCI, частных случаев интерфейсов или элементов интерфейса конкретных приложений. Совмещая виртуальные трехмерные пространства, предложенный подход позволяет реализовать среду управления совместной (параллельной) работой операционных систем, ПП и средств КТ. При этом его практическая реализация доступна как на имеющих экран (дисплей) устройствах, так и посредством голографических интерфейсов.
Необходимо отметить, что работа пользователя в основанной на представленном подходе среде человеко-компьютерного взаимодействия связана с необходимостью ориентирования в наборе виртуальных трехмерных пространств, что приведет к росту оказываемой на него ментальной нагрузки. 60
Особенности восприятия использованных на рис. 8 и 9 визуальных эффектов были исследованы на фокус-группах студентов по 15 человек. Респондентам индивидуально демонстрировались эскизы виртуального четырехмерного пространства -рис. 8в или 9в, половина испытуемых в каждом случае была предупреждена, что графическое изображение будет связано с организацией человеко-компьютерного взаимодействия.
Испытуемым задавались вопросы «какой объект изображен на рисунке» (вопрос №1) и «какие ассоциации вызывает у вас данный объект» (вопрос №2), затем, в соответствии с характеристикой группы, демонстрировались рис. 8а и 8б или рис. 9а и 9б и задавался вопрос «отличаются ли данные изображения» (вопрос №3). Далее испытуемым задавался вопрос «что произойдет при вращении объекта» (вопрос №4) и демонстрировались все эскизы (рис. 8 и 9), среди которых предлагалось выбрать «наиболее наглядный, с которым проще работать» (вопрос №5). Исследовалась реакция испытуемых, фиксировались их комментарии и ассоциации. Демонстрируемые на эскизах визуальные эффекты не могли наблюдаться респондентами до опроса, следовательно, их реакция и комментарии соответствовали особенностям первого восприятия конкретного варианта симуляции виртуального четырехмерного пространства с помощью предложенного автором подхода. Распределения вариантов ответа на вопрос №1, ассоциаций при ответе на вопрос №2, и результатов выбора эскиза при ответе на вопрос №5 представлены на рис. 10 соответственно слева и справа вверху и внизу.
На рис. 10 на диаграмме вверху справа вариант «объем» включает ассоциации «пустое пространство», «полая фигура» и т.п., вариант «невозможно» соответствует ответам «парадокс», «магическая фигура», «нереальный» и т.п., вариант «другое» объединяет ассоциации «аквариум», «коробка», «зеркала» и т.п.
В 25% случаев (рис. 10 вверху слева) объект, демонстрируемый респондентам на эскизе (рис. 8в или 9в), был охарактеризован как «рабочий стол». Обработка результатов опроса показала, что данный вариант ответа не зависел от предварительной информированности респондентов о связи демонстрируемого им графического изображения с организацией человеко-компьютерного взаимодействия. Распределение вариантов отве-
та на вопрос №1 подтверждает, что куб (параллелепипед) является метафорой, обеспечивающей восприятие пользователями симулируемого виртуального четырехмерного пространства.
На вопрос №3 (отличаются ли изображения на рис. 8 или 9): 18% опрошенных описали влияние искажения внутренних пропорций объекта на восприятие объемов, соответствующих его граням; 10% респондентов были уверены, что представленные изображения не отличаются; 72% респондентов заметили нарушения пропорций только после дополнительной просьбы рас-
смотреть изображения внимательнее. Суммарная доля эскизов, соответствующих рис. 9, при выборе наиболее «наглядного» графического изображения (вопрос №5) составила 70%. Полученные составы ответов на вопрос №3 и №5 обусловили выбор эскиза, соответствующего рис. 9в, как базового варианта для реализации в программной модели.
На вопрос №4 11% респондентов не дали содержательного ответа, остальные 89% смогли описать изменения в графическом изображении, связанные с поворотом объекта по горизонтали и/или вертикали. В ответах на вопрос №2 доля ассоциаций, связанных с объемным объектом, превысила 80%. Данные результаты говорят о нормальном восприятии реализованных визуальных эффектов большинством респондентов.
Результаты исследования свидетельствуют, что у большинства потенциальных пользователей не возникло затруднений с восприятием виртуального четырехмерного пространства, сформированного с помощью предложенного автором подхода. Негативная реакция у респондентов не наблюдалась.
4. Разработанная модель FDC виртуальной
четырехмерной среды человеко-компьютерного взаимодействия
На основании визуального эффекта, приведенного на рис. 9в, разработана программная модель FDC (four-dimensional cube), скриншот на рис. 11. Реализованные в модели метафора куба и опции работы с ним позволяют объединить существующие достижения и подходы в области знаний и средах организации человеко-компьютерного взаимодействия, а также использовать все существующие средства взаимодействия пользователя с ПО и КТ, включая Kinect-технологии, голографические интерфейсы, указательные и сенсорные устройства. Куб является метафорой, позволяющей обеспечить совместное отображение виртуальных трехмерных пространств с целью формирования виртуального четырехмерного пространства, в форме, доступной для восприятия пользователя. Предложенный подход является новым, однако позволяет объединить и использовать имеющийся опыт организации виртуальных двухмерных и
трехмерных сред НС1. Куб является частным случаем многогранника, внутренняя и внешняя геометрия которого наиболее легко воспринимаются человеком.
Рис. 11. Скриншот разработанной программной модели FDC
Реализованное виртуальное четырехмерное пространство интерактивно - доступны опции перемещения и вращения куба. Вращение куба (в свободном направлении либо по вертикали и горизонтали) обеспечивает доступ к виртуальным трехмерным пространствам, соответствующим его граням. Реализована опция центрирования - при прекращении манипуляций куб автоматически доворачивается с целью полного представления той грани, отображаемая площадь которой была наибольшей.
Приближение и удаление куба доступно, например, с помощью колеса (скролла) мыши. Работа с каждым виртуальным трехмерным пространством модели FDC фактически аналогична среде приложения ВитрТор, а каждая из внутренних поверхностей данных пространств имеет опцию отображения на весь экран аналогично типовому рабочему столу операционной системы. В модели предусмотрены опции настройки «чувствительности» к манипуляциям пользователя, связывающие вращение ку-
ба с перемещением указательного координатного устройства (например, мыши) по горизонтали и вертикали, а также его приближение и удаление, например, с вращением скролла мыши.
Изображения объектов, расположенные на внутренних поверхностях виртуальных трехмерных пространств, функциональны - воздействия на них приводят к отображению рисунков окон операционной системы и различных приложений.
На рис. 12 приведен макет, иллюстрирующий принцип работы с окнами, расположенными на внутренних поверхностях виртуального трехмерного пространства.
Рис. 12. Иллюстрация принципов работы с объектами
В представленном на рис. 12 примере окна с правой боковой и верхней поверхностей отображаются на грань куба, после чего могут быть приближены и отдалены. Пунктирными стрелками указаны маршруты анимированного перемещения данных окон. Потенциально данный принцип работы доступен и для других объектов (папки, файлы, ярлыки, стикеры и т.п.).
В модели FDC реализована возможность перехода к внутренним поверхностям любого из виртуальных трехмерных про-
странств, соответствующих граням куба. Данная возможность позволяет работать с выбранной поверхностью в режиме рабочего стола, когда расположенные на ней объекты - папки, файлы, ярлыки, окна и т.п. - фактически становятся объектами на рабочем столе. Переход к выбираемой поверхности реализован посредством анимированного перемещения «точки взгляда», рис. 13. Черными кружками отмечены центры граней куба, сплошными стрелками обозначены маршруты перемещения «точки взгляда», а стрелками короткого пунктира указаны направления взгляда из исходной и конечных точек маршрутов.
Рис. 13. Схема маршрутов перемещения «точки взгляда»
«Точка взгляда» может перемещаться в любую точку сферы, центр которой совпадает с центром куба, а радиус соответствует расстоянию от центра до текущего положения «точки взгляда». На рис. 13 данная сфера обозначена линиями длинного пунктира. Перемещение «точки взгляда» реализовано в соответствии с манипуляциями пользователя (движениями курсора, нажатиями клавиш-стрелок и т.п.), предусмотрены опции инвер-
сии по обеим осям. Данный режим позволяет получать доступ к граням куба без непосредственного манипулирования им.
В модели FDC реализованы шаблоны меню опций, соответствующие угловым вершинам куба и иллюстрирующие принцип отображения пунктов меню, пример на рис. 14.
Рис. 14. Пример шаблона меню опций модели FDC
Разработанная модель виртуального четырехмерного пространства может использоваться на сенсорных устройствах, соответствует концепции WIMP-интерфейсов, основана на принципах непосредственного манипулирования. Результаты реализации в модели FDC виртуальной четырехмерной среды челове-ко-компьютерного взаимодействия и предложенные принципы работы в ней являются потенциально применимым на практике развитием ГПИ, пространственных интерфейсов и принципов организации человеко-компьютерного взаимодействия.
Респондентами, принявшими участие в опросе, описанном в разделе 3, а также контрольной группой из 20 не участвовавших в нем испытуемых, основные опции работы с моделью в 93% случаев были освоены не более чем за 10 минут. После завершения работы с программой респондентам было предложено ответить на ряд вопросов (да/нет), в том числе:
1. Возникало ли ощущение, что некоторые из граней куба не являются объемными (да - 15%, нет - 85%).
2. Удобна ли работа с моделью (да - 75%, нет - 25%).
3. Возникало ли в процессе работы ощущение головокружения (да - 15%, нет - 85%).
4. Возникало ли в процессе работы ощущение потери ориентации (да - 15%, нет - 85%).
5. Вызвала ли работа с моделью негативные ощущения (да -15%, нет - 85%).
Опрос показал, что 15% респондентов испытали одинаковые затруднения при первом сеансе работы с моделью.
Внутренние поверхности виртуальных трехмерных пространств модели FDC могут содержать фоновые изображения и отображать окна (содержание папок, файлов, веб-страниц), файлы, ярлыки, стикеры и т.п., что позволяет реализовать представление данных и организовать доступ к ним. Также внутренние поверхности каждого из данных пространств потенциально могут содержать трехмерные объекты, например, «стопки» папок и файлов, а принципы работы с ними могут быть аналогичны концепции интерфейса «Metro» Windows 8. В то же время пользователю целесообразно предоставить возможность выбора двух- и трехмерного режима работы с гранями куба. В рамках разработанной модели могут быть реализованы следующие опции работы с объектами: размещение на внутренних поверхностях виртуальных трехмерных пространств, соответствующих граням куба, с учетом визуального эффекта перспективы, перемещение (в том числе копирование) между данными пространствами, изменение размеров, объединение в группы и «стопки».
Мощность множества координат четвертого измерения потенциально не ограничена шестью непересекающимися виртуальными трехмерными пространствами, соответствующими граням куба. На рис. 15 приведены макеты, иллюстрирующие (построчно слева направо) работу с закладками, обеспечивающими доступ к непересекающимся виртуальным трехмерным пространствам, соответствующим одной грани куба. Данная опция в модели FDC в настоящий момент не реализована.
Лист 4 | Лист? ] Лист 4 | Лет 5
Рис. 15. Макеты режима просмотра виртуальных трехмерных пространств грани куба модели FDC
Дальнейшим развитием модели FDC и реализованного в ней подхода может быть расширение опций работы с внутрен-
ними поверхностями виртуальных трехмерных пространств. Потенциально любой из них могут соответствовать дополнительные виртуальные трехмерные пространства, рис. 16.
Рис. 16. Макеты дополнительных трехмерных пространств
Например, при работе с внутренней поверхностью виртуального трехмерного пространства в режиме рабочего стола пользователю может быть доступен просмотр нескольких соответствующих ей дополнительных виртуальных трехмерных пространств (рис. 17), организованный аналогично доступу к непересекающимся виртуальным трехмерным пространствам, соответствующим грани куба (см. рис. 15 выше).
Рис. 17. Макеты режима просмотра дополнительных виртуальных пространств рабочего стола
5. Заключение
В статье представлен обзор основных подходов, применяемых при создании виртуальных сред человеко-компьютерного взаимодействия как средств управления процессом работы программного обеспечения и компьютерной техники. Приведены примеры используемых автором специальных визуальных эффектов, реализация которых позволяет симулировать виртуальное четырехмерное пространство в графических пользовательских интерфейсах. Предложен подход к реализации виртуальных четырехмерных сред НС1, представлена реализующая его программная модель виртуального четырехмерного пространства, описаны ее основные опции и принципы работы. Дальнейшее развитие полученных результатов будет связано с расширением функциональных возможностей разработанной программной модели (в том числе в соответствии с рис. 15, 16 и 17), а также с исследованием предложенного автором подхода по количественным показателям, в том числе в контексте оценки ментальной нагрузки на пользователя.
По мнению автора, одним из направлений исследований в сфере НС1, развития пространственных интерфейсов и виртуальных сред человеко-компьютерного взаимодействия является использование специальных визуальных и анимационных эффектов для симуляции виртуальных четырехмерных пространств. Получаемые результаты могут рассматриваться как отдельный вид ГПИ, как расширения функциональных возможностей существующих сред человеко-компьютерного взаимодействия, а также как отдельные элементы графических пользовательских интерфейсов. В роли метафоры для реализации виртуальных четырехмерных пространств, помимо куба, могут быть использованы и другие многогранники. При этом размеры используемых виртуальных трехмерных объектов сопоставимы с размерами объектов, используемых в существующих подходах к реализации виртуальных трехмерных сред НС1.
Будущее пространственных интерфейсов представляется в виде плоских или объемных голограмм, управляемых жестами. Описанное в статье виртуальное четырехмерное пространство также может быть реализовано голограммой. Научная новизна 72
полученных результатов заключается в формировании подхода к организации человеко-компьютерного взаимодействия посредством виртуального четырехмерного пространства, а также в разработке метафоры, обеспечивающей представление данного пространства в форме, доступной для восприятия пользователя. Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности реализации виртуального четырехмерного пространства и предложенных принципов организации работы пользователя с ним в качестве среды человеко-компьютерного взаимодействия. Потенциально данные среды могут быть применены для организации управления процессом работы широкого спектра видов КТ, ПО и ПП, в том числе посредством пространственных (голографических) интерфейсов.
Автор выражает благодарность Фетисову И.В. (ООО «НИЦ «СТАРК») за участие в разработке программной модели, студентам МГУПИ Крылову А.А., Федорову С.И. и Родионову А.Д. за помощь в работе и создание макетов, иллюстрирующих принципы работы с виртуальным четырехмерным пространством, а также кафедре «Экономические информационные системы» МГУПИ за материально-техническую базу.
Литература
1. ГРАЩЕНКО Л.А., ФИСУН А.П. Теоретические и практические основы человеко-компьютерного взаимодействия: базовые понятия человеко-компьютерных систем в информатике и информационной безопасности. - Орел: ОГУ, 2004. - 169 с.
2. ГУЛЬТЯЕВ А.К., МАШИН В.А. Проектирование и дизайн пользовательского интерфейса. - СПб.: КОРОНА принт, 2004. - 352 с.
3. ЗУЕВ А.С. О возможностях реализации четырехмерных графических интерфейсов // Информационные технологии. - 2013. - №4. - С. 57-60.
4. МАГАЗАНЧИК В.Д. Человеко-компьютерное взаимодействие: Учебн. пособие. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 256 с.
5. МАНДЕЛ Т. Дизайн интерфейсов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 416 с.
6. ТОРРЕС Р.Дж. Практическое руководство по проектированию и разработке пользовательского интерфейса. - М.: Вильямс, 2002. - 400 с.
7. About Eagle Mode [Электронный ресурс]. - URL: http://www.eaglemode.sourceforge.net (дата обращения: 30.10.2013).
8. AGARAWALA A., BALAKRISHNAN R. Keepin' it real: pushing the desktop metaphor with physics, piles and the pen // Proc. of HCI 2006 - the ACM Conference on Human Factors in Computing Systems. - P. 1283-1292.
9. BAECKER R.M., GRUDIN J., BUXTON AS., GREEN-BERG S. Designing to fit Human capabilities. Readings in Human-Computer Interaction: Toward the year 2000. San Francisco, Morgan Kaufmann Publishers, 1995. - 956 p.
10. COSTANZA G. Zooming out from the desktop. The use of metaphors in Human-Computer Interface design. — MA Communication Design, Digital Media, 2008. - 80 p.
11. ENG LIM GOH Four-dimensional graphical user interface. -US Patent 5678015, 1995.
12. FRANCONE J., NIGAY L. Using the User's Point of View for Interaction on Mobile Devices // Proc. of the 2011 Conference of the Association Francophone d'Interaction Homme-Machine. - P. 4.
13. HATIM Y., TROY L., SCOTT H. and other.. Method, apparatus and memory for directing a computer system to display a multi-axis rotatable, polyhedral-shape panel container having front panels for displaying objects. - US Patent 5515486A, 1996.
14. HILLIGES O., KIM D., IZADI S., and other. HoloDesk: Direct 3D Interactions with a Situated See-Through Display // CHI-2012, Austin, Texas, USA, 2012. - P. 2421-2430.
15. LAMPING J., RAO R. The Hyperbolic Browser: A Fo-cus+Context Technique for Visualizing Large Hierarchies // Journal of Visual Languages and Computing. - 1996. - №7. -P. 33-55.
16. LAMPING J., RAO R. Visualizing Large Trees Using the Hyperbolic Browser // CHI. - April 13-18, 1996. - P. 388-389.
17. NUSSBAUMER A. Hierarchy Browsers: Integrating Four Graph-Based Hierarchy Browsers into the Hierarchical Visualisation System (HVS). - Institute for Information Systems and Computer Media, Graz University of Technology, Austria, 2005. - 109 p.
18. RASKIN J. The Humane Interface: New Directions for Designing Interactive Systems, Addison-Wesley Professional, 2000. -256 p.
19. SPB Shell 3D [Электронный ресурс]. - URL: http://www.spb.com/android-software/shell (дата обращения: 30.10.2013).
20. THACKER CP., MCCREIGHT E.M., LAMPSON B.W. et al.
Alto: A personal computer. - Xerox Corporation CSL-79-11, 1979. - 50 p.
21. Using Windows Flip 3D [Электронный ресурс]. - URL: http://www.windows.microsoft.com/en-us/windows-vista/ using-windows-flip-3d (дата обращения: 12.01.2014).
22. Windows 8 and Windows RTProduct guide. Microsoft Corporation, 2012. - 55 p.
VIRTUAL FOUR-DIMENSIONAL ENVIRONMENTS FOR HUMAN-COMPUTER INTERACTION
Andrei Zuev, Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Science, Moscow, Cand. Sc., [email protected].
Abstract: We review ^ fundamental approaches to organization of virtual two- and three-dimensional environments for human-computer interaction in graphical user interfaces (GUI) design and suggest a design approach to virtual four-dimensional environments based on special visual effects. We also describe functional capabilities and user operation principles of FDC package, which implements an environment prototype.
Keywords: human-computer interaction, graphical interface, direct manipulation, software ergonomics, spatial interface.
Статья представлена к публикации членом редакционной коллегии М.В. Губко
Поступила в редакцию 22.07.2013.
Опубликована 31.01.2014.
