Although the hardware and software for virtual environment systems have rapidly progressed during the past few years, many theoretical and practical human factor issues on the systems remain to be explored. Among the issues, the enhancement of human performance in virtual environment systems is especially important in some application fields such as architectural navigation, vehicle simulation, and teleoperation.
In this study, a series of four experiments were conducted to investigate human performance variations of the three-dimensional pointing task in a virtual environment. The first two experiments deal with the effects of control factors, while the others deal with the effects of display factors.
The first experiment was prepared for the following experiments, in which the display/control (D/C) gains of 6 degree-of-freedom controllers were optimized. The second experiment was designed to validate Fitts' law, which has successfully described the one- or two-dimensional control tasks, for the three-dimensional pointing task.
The results of the experiment showed that Fitts' law did not describe the three-dimensional pointing task well compared with the two-dimensional pointing task. The poor fitness was discussed in relation to the characteristics of three-dimensional pointing tasks. The high degree of freedom in control, the egocentric viewpoint change, the poor display conditions, and the clutching problem of the three-dimensional pointing task decreased human performance and increased its variation. For the clutching problem of isotonic controllers, a modified model of Fitts' law was proposed. It improved the coefficient of determinant (R2) of the data.
In the third experiment, three display factors (frame rates, screen resolution, and pictorial contents) were optimized to improve human performance. The results showed that the fixed frame rate at 18Hz was superior to the higher unlimited frame rates. Also, high screen resolution and simple visual cues improved human performance.
The results of the third experiment were applied to the final experiment to investigate Fitts' law again. As expected, human performance was improved and the coefficient of determinant of Fitts' law was also improved.
The results of this study can be applied to the design and evaluation of the three-dimensional control task in a virtual environment. As an evaluation model, Fitts' law can be used as a modified form for isotonic controllers or can be used in a visually enhanced environment. Also, the results of the comparison tests on the controllers and displays can guide the device selection in the design of a virtual environment system.
지난 몇 년 간 인공현실감 (혹은 가상현실) 시스템 분야의 하드웨어 기술과 소프트웨어 기술은 빠르게 발전해 왔으나, 이들을 효과적으로 사용하기 위해서는 인간공학적 설계와 평가가 요구된다. 인공현실감 기술이 건축, 운전시뮬레이션, 원격제어 등에 널리 쓰이는 것을 볼 때, 3 차원 제어 작업에 대한 인간성능에 관한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 3 차원 제어 작업에 영향을 미칠 독립변수를 제어장치 요인과 표시장치 요인으로 나눈 후 4 개의 실험을 수행하였다. 실험1에서는 다음 실험들에 쓰일6 자유도 제어장치의 표시/제어 이득(D/C gain)의 최적화가 이루어지도록 했다.
실험2에서는 인간성능을 설명하는 모형으로 핏츠(Fitts)의 법칙에 대한 타당성을 분석하였다. 핏츠의 법칙은 그 동안 일차원, 이차원 포인팅(Pointing)작업을 잘 설명해 왔는데, 3차원 작업에 대해서는 설명력이 크게 떨어지는 것으로 나타났다. 그 이유로 3차원 포인팅 작업의 높은 자유도, 작업 도중 방향 상실, 적절한 시각적 단서(cue) 부재, 등력성(isotonic) 제어장치의 클러칭(clutching) 문제 등이 토의되었다. 특히 등력성 제어장치에 대해서는 핏츠의 법칙을 보완하는 모형을 제안하였는데, 이는 핏츠 법칙의 설명력을 높여주었다.
실험3에서는 표시장치 요인들 가운데 프레임 갱신속도(frame rate)와 화면의 해상도, 화면에 표시되는 내용들에 대한 최적화 실험을 실시하였다. 실험 결과에 의하면 프레임 속도는 예상과 달리 빠를수록 좋은 것이 아니라, 18Hz 수준에서 일정하게 하는 것이 좋은 것으로 나타났다. 화면 해상도는 높을수록 인간성능이 향상되었으며, 화면의 내용으로는 시각적 단서가 하나도 없는 경우나 너무 많아 복잡한 것보다는 단순한 시각적 단서의 제공이 작업에 유리한 것으로 나타났다.
이러한 결과들을 응용하여, 마지막 실험4에서는 표시 요인들의 최적화를 이룬 상태에서 입체안경과 헤드마운티드디스플레이 (HMD)에 대한 평가를 수행하였고, 다시 한 번 핏츠 법칙에 대한 평가를 시도하였다. 이때 표시장치 요인의 최적화는 그렇지 않았던 경우에 비해 핏츠 법칙의 설명력을 크게 높였다. 본 연구의 결과는 인공현실감 시스템을 설계하거나 평가하는데 사용할 수 있을 것이다. 또한 여러 제어장치와 표시장치에 대한 비교 결과는 장비 선택 과정에도 도움을 줄 수 있을 것이다.
