V počítačové vědě se 3D interakce používá k označení jakékoli formy interakce člověk-stroj, kde se uživatel musí pohybovat, manipulovat a navigovat ve 3D prostoru . Jedná se o informace o lidských a mechanických procesech, kde je relevantní fyzikální poloha prvků v 3D prostoru.
3D prostor použitý pro interakci může být skutečný fyzický prostor, počítačově simulovaná reprezentace nebo kombinace těchto dvou. Když je skutečný prostor použit pro vstupy, uživatelé provádějí akce nebo dávají příkazy stroji pomocí vstupního zařízení, které detekuje 3D polohu akce uživatele. Simulovaná 3D virtuální scéna se promítá do reálného prostředí prostřednictvím jednoho nebo více výstupních zařízení .
Počátky 3D sahají do roku 1962, kdy Morton Heilig vynalezl simulátor Sensorama . Navrhl 3D videoprojekci, haptickou, sluchovou a zpětnou vazbu k vytvoření virtuálního prostředí. Další fází vývoje bylo dokončení jeho práce v roce 1968. Vytvořil Visiocasque , Damoklov meč, který vytváří 3D obraz virtuálního prostředí .
Dostupnost technologie a příliš vysoké náklady brzdily vývoj a používání virtuálních prostředí až do 80. let 20. Aplikace byly omezeny na vojenské společnosti ve Spojených státech. Od té doby další výzkum a technologický pokrok otevřel nové dveře aplikacím v různých jiných oblastech, jako je vzdělávání a zábava.
V 3D interakci uživatelé plní své úkoly a vykonávají své funkce výměnou informací s počítačovými systémy v 3D prostoru. Jedná se o typ intuitivní interakce, protože lidé v reálném světě denně interagují ve třech dimenzích. Úkoly, které uživatelé provádějí, byly rozděleny do tří hlavních kategorií: výběr a manipulace s objekty ve virtuálním prostoru, navigace a ovládání systému. Úkoly lze provádět ve virtuálním prostoru prostřednictvím interakčních technik a používání interakčních zařízení. Techniky 3D interakce byly klasifikovány podle skupiny úkolů, které podporují. Techniky, které pomáhají podporovat navigační úkoly, jsou klasifikovány jako „navigační techniky“. Techniky, které umožňují výběr a manipulaci s objekty, jsou označeny jako „techniky výběru a manipulace“. A konečně „techniky řízení systému“ souvisejí s řízením samotné aplikace. Aby byl systém použitelný a efektivní, musí být vytvořena koherentní a účinná souvislost mezi technikami a prostředky interakce. Rozhraní spojená s 3D interakcí se nazývají „3D rozhraní“. Stejně jako jiné typy uživatelských rozhraní zahrnují obousměrnou komunikaci mezi uživateli a systémem, ale umožňují uživatelům provádět akce v 3D prostoru. Vstupní zařízení umožňují uživatelům vydávat pokyny a příkazy systému, zatímco výstupní zařízení umožňují stroji předávat jim informace z 3D prostředí.
Uživatelé zažívají pocit přítomnosti, když jsou zapojeni do pohlcujícího virtuálního světa. Umožnění uživatelům komunikovat s tímto 3D světem jim umožňuje využívat přirozené a vnitřní znalosti o tom, jak probíhá výměna informací s fyzickými objekty v reálném světě. Pro zvýšení 3D interakce lze použít texturu, zvuk i řeč. V současné době mají uživatelé stále potíže s interpretací 3D prostorových obrázků a porozuměním tomu, jak k interakci dochází. Ačkoli se jedná o přirozený způsob, jak se lidé mohou pohybovat v trojrozměrném světě, tato obtíže pramení z absence mnoha stop ve skutečném prostředí ve virtuálním světě. Vnímání a okluze jsou hlavními vjemovými podněty, které lidé používají. Navíc, i když se scény ve virtuálním prostoru objevují trojrozměrně, jsou stále zobrazeny na 2D povrchu, takže určité nekonzistence ve vnímání hloubky budou stále existovat.
Tyto uživatelské rozhraní jsou prostředkem komunikace mezi uživateli a informačních systémů. 3D rozhraní zahrnují periferní zařízení pro 3D znázornění stavu systému (výstupní periferní zařízení) a periferní zařízení pro 3D vstup nebo manipulaci s uživatelem (vstupní periferní zařízení). Použití 3D reprezentací nestačí k vytvoření 3D interakce. Uživatelé také musí být schopni provádět trojrozměrné akce. Pro tento účel byla vyvinuta speciální vstupní a výstupní zařízení podporující tento typ interakce. Některé, například 3D myš, byly vyvinuty ze stávajících zařízení pro 2D interakci.
Vstupní zařízení jsou nástroje, používané k manipulaci s objekty a odesílat příkazy řízení k počítačovému systému. Liší se z hlediska stupňů volnosti, které nabízejí, a lze je rozdělit na standardní vstupní zařízení, sledovací zařízení, ovládací zařízení, navigační zařízení a rozhraní gest.
Standardní vstupní zařízení zahrnují klávesnice, tablety s perem, joysticky a 2D myši . Mnoho studií nicméně zpochybnilo vhodnost standardních zařízení pro 3D interakci, i když je to stále předmětem debaty.
Sledovače detekují nebo monitorují pohyb hlavy, rukou nebo těla a odesílají tyto informace do počítače. Počítač jej poté přeloží a zajistí, aby se poloha a orientace přesně odrážely ve virtuálním světě. Sledování je důležité, aby bylo možné prezentovat správné hledisko, koordinovat prostorové a zvukové informace poskytované uživatelům a také úkoly nebo funkce, které mohou provádět. 3D sledovače mohou být mechanické, magnetické, ultrazvukové, optické, optické a inerciální hybridy. Příklady sledovačů zahrnují sledovače pohybu, senzory sledování očí a datové rukavice .
Jednoduchou 2D myš lze považovat za navigační zařízení, pokud umožňuje uživateli přesunout se na jiné místo ve virtuálním 3D prostoru. Navigační zařízení, jako je běžecký pás a kolo, využívají přírodní prostředky, které lidé používají k obcházení v reálném světě. Ergometry simulují chůzi nebo běh a jízdní kola nebo podobné vybavení simulují cestování vozidla. V případě navigačních zařízení informace přenášené do stroje odpovídají umístění a pohybům uživatele ve virtuálním prostoru.
Datové rukavice a kombinézy umožňují interakci gesty. Ty zasílají informace o poloze a pohybech ruky nebo těla do počítače pomocí senzorů.
Výstupní zařízení umožňují stroji poskytovat informace nebo zpětnou vazbu uživateli. Zahrnují vizuální, sluchové a haptické prezentace. Displeje poskytují uživatelům zpětnou vazbu ve 3D vizuální podobě. Náhlavní soupravy pro virtuální realitu a CAVE jsou příklady plně pohlcujícího vizuálního zobrazení, kde může uživatel vidět pouze virtuální svět, nikoli skutečný svět. Semi-pohlcující obrazovky umožňují uživatelům vidět obojí. Sluchová zpětná vazba je zvláště užitečná při poskytování geografických a prostorových informací uživatelům. Přidání zvukové komponenty na pozadí na obrazovku dodává systému realismus. Dotykový displej při interakci zasílá uživateli hmatovou zpětnou vazbu nebo senzaci.
Techniky 3D interakce jsou metody používané k provádění různých typů úkolů v 3D prostoru. Techniky jsou klasifikovány podle úkolů, které podporují.
Uživatelé musí být schopni manipulovat s virtuálními objekty. Úlohy manipulace zahrnují výběr a přesunutí objektu (včetně rotace). Přímá manipulace je nejpřirozenější technikou, protože manipulace s fyzickými objekty rukou je pro člověka intuitivní. To však není vždy možné. Funguje také virtuální ruka, která může vybírat a přesouvat virtuální objekty.
Tyto 3D widgety lze umístit ovládací prvky na objektech: oni jsou obvykle nazývají 3D Gizmos " nebo manipulátorů (klasickým příkladem je ti k Blenderu ]). Uživatelé je mohou použít k přesunutí, změně velikosti nebo změně orientace objektu (respektive k překladu, přiblížení nebo otočení).
Mezi další techniky patří technika Go-Go a sledování paprsku: virtuální paprsek se používá k nasměrování a výběru objektu.
Počítač musí poskytovat uživateli informace o jeho poloze a pohybech. Navigační úkoly mají dvě složky. Cesta spočívá v přesunu z aktuálního místa do požadovaného bodu. Orientace se týká hledání a vytváření tras k dosažení cíle cestování ve virtuálním prostředí.
Úkoly, které zahrnují vydávání příkazů aplikaci ke změně režimu systému nebo aktivaci určitých funkcí, spadají do kategorie řízení počítačového systému. Techniky, které podporují úkoly trojrozměrného řízení systému, jsou klasifikovány následovně: