3D用户界面设计与评估（原书第2版）

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全书分为六部分，共12章。第一部分介绍3D用户界面的概念和历史背景以及贯穿整本书的两个案例研究；第二部分则提供了关于一般界面和特殊的3D界面在人体因素方面的背景资料，重点强调了人类感官系统和认知，总体介绍了人机交互领域；第三部分深入探究了3D用户界面的硬件，包括视觉、听觉、触觉/味觉系统的输出设备以及界面中使用的输入设备，特别强调了获取用户在物理空间中的三维位置，方向和运动信息。第四部分则是本书的核心内容，将重点放在了大多数3D用户界面中会使用到的基本3D交互任务，包括3D对象选择和操做的技术、通过虚拟空间和物理空间移动的导航和标识导向技术、系统控制技术；第五部分描述了3D用户界面设计与评估的策略；最后，第六部分展望3D用户界面的未来，并讨论需要解决的开放式研究问题，以此来推动领域的蓬勃发展。此外本书还为设计师和开发人员提供了许多参考指南，这些指南都是非常实用的、经过检验的建议。

译者序
第2版序
第1版序
第2版前言
第1版前言
致谢
第一部分　3D用户界面基础
第1章　3D用户界面概述2
1.1　什么是3D用户界面2
1.2　为什么需要3D用户界面3
1.3　术语4
1.4　应用领域 6
1.5　小结6
第2章　3D用户界面：历史与发展历程7
2.1　3D UI的历史7
2.2　3D UI的发展历程9
2.3　本书的范围20
2.4　案例研究简介21
2.5　小结23
第二部分　人体因素与人机交互基础

　　第2版前言
　　自本书第1版出版，迄今已经有10多年了。在这段时间里，这一领域发生了不少变化。虽然第1版获得了大家的高度评价，但是在此之前，3D用户界面的发展一直都局限在大学和一些工业研究实验室中。然而，在过去的这10年里，随着硬件和软件的技术突破，商业领域已经开始将虚拟现实和增强现实显示器、移动端设备、游戏操纵杆甚至机器人平台投入市场，因此就更需要3D用户界面技术能在众多应用领域中提供强大有效、引人入胜的用户体验。与此同时，由于这些硬件和软件的商业化，那些从事3D用户界面研究的大学研究实验室也得以焕发生机，也开始花更多的钱在学校里设立虚拟现实和增强现实实验室，让这些技术能够在研究生、大学生，甚至高中生中普及。这些发展都让本书的内容比以往任何时候都显得更加重要，对于众多的研究人员、开发人员、兴趣爱好者和学生来说，也更加实用。因此，我们相信此时正是出版本书第2版的好时机。
　　鉴于上面描述的变化，我们需要对本书进行大幅度的修改，不仅要反映读者（无论是新读者还是老读者）的当前需求，更需要更新材料，因为在这10年中有大量关于3D用户界面硬件与软件的研究投入实践。此外，由于3D用户界面几乎可以运用在任何地方，只要配合适当的传感器就可以确定某人或某物的位置、方向或空间运动，所以我们决定在这本书中不涉及任何具体的应用程序。在这个版本中我们做了一些调整，让本书更具有包容性与实时性，但同时也会保持它的优势，依然会从硬件和软件的角度来阐述3D用户界面，评估3D用户界面的技术与应用。
　　本书这一版分为六个不同的部分。其中第1版的3章—路径查找、符号输入和增强现实—不再作为独立的章存在，而是融合进本书的其他部分。在第二部分中增加了全新的两章，这样可以为读者理解之后有关3D用户界面的部分提供更加坚实的基础知识背景。我们还根据最新的研究进展与发现，使用全新的材料对每一章做出了适当修正。此外，从应用程序的发展角度来看，每章之间也应具有较好的连贯性。所以本书引入了两个正在运行的案例研究，一个是移动增强现实的应用，另一个是第一人称的虚拟现实游戏应用。这两个案例研究的内容将会出现在本书第三部分至第五部分每章的结尾处，以便读者可以看到这些材料是如何运用在具体的应用中的，以及3D用户界面设计是如何在3D应用程序的每一处展现的。
　　在本版中，第一部分包括两章。第1章是对3D用户界面概念的介绍，第2章提供该领域的历史背景，并给出发展历程图，以及该领域如何与其他领域产生关联，同时，在该章中我们也将引入贯穿整本书的两个案例研究。第二部分则提供关于一般界面和特殊的3D界面在人体因素方面的背景资料，重点强调人类的感官系统和认知（第3章），总体介绍人机交互领域（第4章），这些可以作为我们了解本书后文中各种关于3D用户界面的概念与想法的基础知识。第三部分深入探究3D用户界面的硬件，包括针对视觉、听觉、触觉/味觉系统的输出设备（第5章）以及界面中使用的输入设备，特别强调如何获取用户在物理空间中的三维位置、方向和运动信息（第6章）。第四部分是本书的核心，将重点放在大多数3D用户界面中会使用的基本3D交互任务上。在这部分中，第7章阐述3D对象选择和操作的技术。第8章探讨通过虚拟空间和物理空间移动的导航与标识导向技术。最后，第9章重点介绍不同的系统控制技术，这些技术可用于更改应用程序状态，发出命令并为3D应用程序提供整体输入。第五部分描述3D用户界面设计与评估的策略，其中第10章探讨选择和开发的不同设计策略，第11章涵盖关于3D用户界面评估的重要部分，这是开发3D界面技术与应用程序的关键部分。最后，第六部分包含第12章，展望3D用户界面的未来，并讨论需要解决的开放式研究问题，以此来推动该领域的蓬勃发展。
　　与第1版相同，我们为设计师和开发人员提供了许多参考指南，这些指南都是非常实用的、经过检验的建议。指南样式如下所示：
　　小贴士
　　按照本书的指南可以帮助你设计出可用的3D用户界面（UI）。
　　根据读者不同的目标与意图，本书第2版可以有很多使用方法。对于毫无人机交互经验的本科或研究生，这本书可以作为他们入门3D用户界面设计的教程。如果你有一些人机交互的知识，除了全书的第二部分之外，其余章节可以满足你深入研究更多3D用户界面细节的要求。
　　开发人员和3D应用设计师可以在本书中找寻3D UI的应用设计、实现和评估的灵感与指导。在设计过程中，开发人员可以从本书第三部分中挑选合适的硬件，从第四部分中选择具体的交互技术，从第五部分学习如何评估现有技术和应用，从第10章得知如何更好地设计应用程序。衷心希望开发人员，特别是从事虚拟现实和增强现实的开发人员，在设计程序时可以充分使用本书，避免事倍功半的结果。
　　最后，研究人员可以将本书作为相关工作和前期准备的百科全书，用来帮助他们了解这一领域至今所发生过的事情，促进他们拥有新奇的研究思路，激发他们获得灵感来解决3D用户界面的新问题，并帮助他们一站式地学习所有的3D UI知识。对于想要探索具有挑战性的问题的研究人员，本书的第12章将带给你特别的启发。
　　第1版前言
　　一位建筑师坐在家中的办公室，正对城市公园新入口的设计方案进行最后的调整。公园的3D虚拟模型呈现在她面前的办公桌上。她轻轻地向右推出一条小路绕开低洼地段，然后将模型放大至真实尺寸，沿着小路行走并观察效果。“入口标志的颜色太深，这样给人的感觉不太舒服。”她想着，很快将颜色换成了更明亮的原色。她抬头注意到来参加最终设计评审会的客户已经到了。虽然客户处在城市不同的办公室里，但他们都可以观看到这一3D模型，可以互相交流提出修改建议。“建筑规划是什么？”其中一位客户询问道。于是建筑师播放了一段项目从开始到结束的动画短片。此时有客户说：“第一步可能并不可行，你来看看，挖掘现场距现在的操场太近了 。” 他向自己的窗外看去，看到公园上覆盖着它的虚拟施工计划。 “的确如此，”建筑师说道，“那我们将操场稍微移动一点点，这可比改变建筑物的位置便宜得多。”当看到改变后的效果之后，大家都认为这个计划可行，于是会议终止。
　　这个场景和其他类似的场景都说明了3D环境与应用具有巨大的潜力。其实目前已经有了实现这一愿景的技术，但还需要继续完善。这个场景也遗漏了大量信息—让梦想成真的关键信息。建筑师如何加载公园模型，又如何操纵她的视角？用什么技术来移动那条小路？多个客户如何同时操控模型？参与者又如何出现在虚拟空间中？如何控制动画播放的速度和重播？客户如何命令系统实现真实场景和虚拟场景融合？
　　这些问题都与用户界面和3D应用的交互技术有关，这个领域现在只在科幻电影和书籍中一笔略过。场景也通常假定用户和系统之间的所有交互都是“自然”的—运用类似直觉的手势和语音等技术，或者是“自动的”—系统需要足够聪明才能推断出用户的意图。但是这样的交互是否真实，是否可取呢？
　　本书讨论了3D UI设计的关键领域—一个寻求详细回答上述问题的领域，这有助于创建出实用且高效的3D系统而不是导致用户受挫、犯错甚至身体不适的3D系统。本书为开发人员提供实用信息、最新的研究成果、UI设计师易于遵循的指导原则以及相关的应用实例。尽管已经有一些有关通用UI或是专门针对2D UI的书籍，但3D UI受到的关注较少。这一领域的研究结果分散在许多会议记录、期刊文章、单独章节和网站中。而这个领域应该有一本整合了最佳实践和最先进研究的参考和教学课本，这就是我们写这本书的原因。
　　写作背景
　　本书的故事开始于1998年4月，当时Ivan Poupyre和Doug Bowman分别是广岛大学和佐治亚理工大学的博士生，都在研究虚拟环境（VE）下对象操纵的3D交互技术。我们开始通过邮件，对3D设计、可用性技术和3D UI进行热烈讨论。而当时在华盛顿大学作为访问研究生的Ivan建议，如果能让这个新领域的其他研究人员也参与讨论的话，那将会变得更有价值，于是3D UI邮件用户列表就这样产生了。从那时起，全球有100多名研究人员加入到这个列表中参与讨论（访问http://www.3dui.org可以查看所有用户列表的通讯归档或者加入此列表）。Joseph LaViola和Ernst Kruijff就是加入该列表的第一批用户。
　　同年8月，Doug邀请列表中的用户在即将到来的IEEE Virtual Reality大会上发表演讲。经过一番讨论，Joseph、Ivan和Ernst 都同意和Doug一起组织一次主题为“3D交互的艺术与科学”的演讲，这一演讲在休斯敦会议上取得了巨大成功。四人随后分别在ACM Virtual Reality Software and Technology 1999、IEEE VR 2000、ACM SIGGRAPH 2000和2001的大会中也就这一主题发表了演讲。
　　在这些演讲稿有了大量的内容扩充之后，我们认为如果不将这些内容完善并扩展成书，这一切都是毫无意义的。此外，实在无法在一天的演讲中将3D UI的所有信息都包含在内。这就是你今天能将这本书拿在手中的原因—这是一本包含了在其他任何单一资料里都找不到的3D UI信息的书籍。

　　对任何开发虚拟现实（VR）和增强现实（AR）游戏体验界面的人来说，这本书都是必备的指南。
　　—— Richard Marks，Sony PlayStation Magic实验室总监
　　对3D交互研究人员和从业者来说，这是一本不可思议的图书。随着如今人们对虚拟现实和增强现实平台重新燃起热情，这本书变得更及时、更有价值。而这次的更新版中对数十年研究的悉心组织和用心呈现，更是让每个VR/AR人都能从中受益匪浅。
　　—— Andy Wilson，微软公司研究部
　　这是研究人员和开发人员创建3D用户界面的必备书籍。如果你正在开发包括虚拟现实或增强现实体验的3D应用，甚至移动端和桌面3D应用，你一定需要这本书。
　　——Mark Billinghurst，南澳大学
　　我也正好赶上了用它作为3D用户界面课程的教材……本书的第1版也是首部针对3D用户界面的书籍，它雄心勃勃并大获成功，对于这个领域，更是一个及时并广受欢迎的礼物……我期待着能在哥伦比亚大学的课程中使用本书第2版。无论你是经验丰富的研究人员或从业者，还是刚刚转行3D交互的新人，都可以享受其中！
　　——Steve Feiner，哥伦比亚大学计算机科学系