сотрудник
Настоящая работа посвящена разработке и апробации алгоритмического комплекса геометрического моделирования и динамической адаптации пользовательских интерфейсов в средах виртуальной реальности (VR), основанного на методах инженерной геометрии и компьютерной графики. В качестве основной проблемы в исследовании рассматривается фундаментальная неэффективность традиционных двумерных подходов к проектированию, которые неспособны учесть сложные пространственные зависимости и биомеханические ограничения движений руки в 3D-пространстве, что часто приводит к когнитивной нагрузке, физической усталости и риску «киберукачивания». Предлагаемый комплекс представляет собой унифицированный фреймворк, который интегрирует методы инженерно-геометрического моделирования и компьютерной графики для оптимальной пространственной компоновки и визуализации элементов VR-меню, предиктивную модель поведения пользователя для анализа и прогнозирования, и алгоритмы обучения с подкреплением для динамической настройки интерфейса в реальном времени. Центральное место в методологии занимает интеллектуальная система, основанная на Q-learning, которая управляет параметрами интерфейса (размером, расположением и формой элементов), таким образом создавая замкнутый цикл непрерывной адаптации, где каждое взаимодействие улучшает будущий дизайн. Для формирования обратной связи для агента используется многоцелевая функция вознаграждения, тщательно балансирующая метрики производительности (скорость, точность) и кинематические характеристики движения (эффективность траектории, плавность, или метрика рывка). Для повышения эффективности обучения и целенаправленного исследования пространства параметров используется предиктивная модель на основе Гауссовских процессов (GPR), которая прогнозирует производительность пользователя и оценивает неопределённость своих предсказаний, тем самым эффективно управляя компромиссом между исследованием и эксплуатацией. Экспериментальная апробация, проведённая с участием 17 участников, подтвердила эффективность предложенного подхода, зафиксировав значительное сокращение времени выполнения задач и высокую удовлетворённость пользователей (94.1%). Ключевые метрики, такие как среднее время выполнения, метрика рывка и эффективность пути, продемонстрировали устойчивое улучшение. Полученные результаты демонстрируют, что разработанный комплекс предоставляет надёжный фреймворк для создания эргономичных и эффективных VR-интерфейсов, что имеет особое значение для образовательных и тренажёрных приложений, где долгосрочное комфортное использование имеет критическое значение для успешного обучения и минимизации рисков для здоровья.
геометрическое моделирование; виртуальная реальность; пользовательский интерфейс; динамическая адаптация; обучение с подкреплением; гауссовские процессы; закон Фиттса
1. Бойков А.А. Инженерная геометрия как фундаментальное ядро инженерной подготовки специалистов [Текст] / А.А. Бойков, Н.С. Кадыкова // Геометрия и графика. – 2024. – Т. 12. – № 4. – С. 15–37. – DOIhttps://doi.org/10.12737/2308-4898-2024-12-4-15-37
2. Ковалев А.И. Сравнение эффективности применения технологий виртуальной реальности с традиционными образовательными средствами [Текст] / А.И. Ковалев, Ю.А. Роголева, С.Ю. Егоров // Вестник Московского университета. Сер. 14. Психология. – 2019. – № 4. С. 44–58. – DOI:https://doi.org/10.11621/vsp.2019.04.43
3. Круподерова Е.П. Подготовка будущих магистров педагогического образования к использованию иммерсивных технологий обучения [Текст] / Е.П. Круподерова, К.Р. Круподёрова // Проблемы современного педагогического образования. – 2022. – № 77-3. – С. 105–108.
4. Лепаров М.Н. О геометрических основах проектирования технического объекта [Текст] / М.Н. Лепаров // Геометрия и графика. – 2023. – № 4. – С. 3–14. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2024-11-4-3-14
5. Лубин Ш. Использование цифровых приложений в процессе изучения иностранных языков [Текст] / Ш. Лубин // Ярославский педагогический вестник. 2024. – № 3. – С. 100–106. – DOI:https://doi.org/10.20323/1813-145X2024-3-138-100 DOI: https://doi.org/10.20323/1813145X-2024-3-138-100
6. Мурай О.В. Обучение иностранным языкам с помощью VR-технологии [Текст] / О.В. Мурай // Мир науки, культуры, образования. – 2023. – № 5. – С. 189–192. DOI:https://doi.org/10.24412/1991-5497-2023-5102-189-192
7. Неснов Д.В. Область правильной координации пространства нормальными коническими координатами [Текст] / Д.В. Неснов // Геометрия и графика. – 2023. – Т. 11. – № 3. – С. 3–11. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-48982023-11-3-3-11 DOI: https://doi.org/10.12737/2308-4898-2023-11-3-3-11
8. Рустамян В.В. Синтетическое представление преобразования «косая симметрия» на примере преобразования эллипса [Текст] / В.В. Рустамян, Е.В. Баянов, Р.Б. Славин // Геометрия и графика. – 2023. – Т. 11. № 3. – С. 12–18. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2023-113-12-18 DOI: https://doi.org/10.12737/2308-4898-2023-11-3-12-18
9. Сальков Н.А. Определение расстояний между геометрическими фигурами интерактивным методом [Текст] / Н.А. Сальков // Геометрия и графика. – 2024. – Т. 12. – № 4. – С. 3–14. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2024-12-4-3-14 DOI: https://doi.org/10.12737/2308-48982024-12-4-3-14
10. Сидоров К.Ю. Визуализация и взаимодействие с геометрическими объектами в VR-среде [Текст] / К.Ю. Сидоров, Е.А. Иванова // Геометрия и графика. – 2024. Т. 12. – № 3. – С. 45–53. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-48982024-12-3-45-53 DOI: https://doi.org/10.12737/2308-4898-2024-123-45-53
11. Чупин С.А. Применение дополненной реальности при преподавании инженерной горно-геологической графики [Текст] / С.А. Чупин, А.И. Исаев, О.В. Трубецкая // Геометрия и графика. – 2024. – Т. 12. – № 3. С. 21–31. – DOI:https://doi.org/10.12737/2308-4898-2024-12-3-21-31
12. Хусаинова М.А. Интеграция технологий виртуальной реальности в процесс обучения иностранным языкам: эффективность и методические подходы [Текст] / М.А. Хусаинова, О.А. Гарифова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2024. – № 11. С. 92–97. – DOI:https://doi.org/10.60797/IRJ.2024.149.95
13. Alcañiz M., Bigné E., Guixeres J. Virtual reality in marketing: a framework, review, and research agenda // Frontiers in Psychology. 2019. Vol. 10, p. 1530. DOI:https://doi.org/10.3389/fpsyg.2019.01530
14. Ashrafi D.M. Managing consumers’ adoption of artificial intelligence-based financial robo-advisory services: a moderated mediation model // Journal of Indonesian Economy & Business. 2023. V. 38. I. 3, pp. 204–220. DOI: 10.22146/ jieb.v38i3.6242 DOI: https://doi.org/10.22146/jieb.v38i3.6242
15. Bailenson J.N. Experience on Demand: What Virtual Reality Is, How It Works, and What It Can Do / J.N. Bailenson, W.W. Norton & Company, 2018. 320 p.
16. Berthaut F. 3D interaction techniques for musical expression // Journal of New Music Research. 2020. V. 49. I. 1. pp. 60–72. DOI:https://doi.org/10.1080/09298215.2019.1706584
17. Berwal P., Dhatterwal J.S., Kaswan K.S., Kant S. Computer Applications in Engineering and Management. Chapman and Hall/CRC, 2022. 250 p. DOI: https://doi.org/10.1201/9781003211938
18. Bowman D.A., Kruijff E., LaViola J.J., Poupyrev I. An Introduction to 3-D User Interface Design // Presence. 2001. pp. 96–108. DOI:https://doi.org/10.1162/105474601750182342
19. Browning T.R. Design structure matrix extensions and innovations: a survey and new opportunities // IEEE Transactions on Engineering Management. 2015. V. 63. I. 1. pp. 27–52. DOI:https://doi.org/10.1109/TEM.2015.2491283
20. Fitts P.M. The information capacity of the human motor system in controlling the amplitude of movement // Journal of Experimental Psychology. 1954. V. 47. I. 6. pp. 381–391. DOI:https://doi.org/10.1037/h0055392
21. Hincapie C., Lécuyer A. A survey on Adaptive Virtual Reality Interfaces // IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 2018. V. 24. I. 1. pp. 295–306. DOI:https://doi.org/10.3390/s24196204
22. Horváth I. An analysis of personalized learning opportunities in 3D VR [Text] / I. Horváth // Frontiers in Computer Science. 2021. V. 3. p. 673826. DOI: 10.3389/ fcomp.2021.673826 DOI: https://doi.org/10.3389/fcomp.2021.673826
23. LaViola J.J. Jr, Kruijff E., McMahan R.P., Bowman D., Poupyrev I.P. 3D user interfaces: theory and practice. Addison-Wesley Professional, 2017. 600 p.
24. Lee Y., Yoo B. XR collaboration beyond virtual reality: work in the real world // Journal of Computational Design and Engineering. 2021. V. 8. I. 2. pp. 756–772. DOI: 10.1093/ jcde/qwab012 DOI: https://doi.org/10.1093/jcde/qwab012
25. MacKenzie I.S. Fitts’ law as a research and design tool in human-computer interaction [Text] / I.S. MacKenzie // Human-Computer Interaction. 1992. V. 7. I. 1. pp. 91–139. DOI:https://doi.org/10.1207/s15327051hci0701_3
26. Nturner J., Weyers B. Towards Formalisation of 3D User Interaction: Making Spatial Interaction Verifiable // In Companion Proceedings of the 17th ACM SIGCHI Symposium on Engineering Interactive Computing Systems. 2025. pp. 27–32. DOI:https://doi.org/10.1145/3731406.3734976
27. Okpan J.I., Brooks R.J. Experimental Investigation of the Impacts of Virtual Reality on Discrete-Event Simulation // Proceedings – Winter Simulation Conference. 2005. pp. 1967–1975. DOI:https://doi.org/10.1109/WSC.2005.1574475
28. Pind R., Böhmer M., Rädle R., Hincapié C., Weinhardt C. A framework for the design and evaluation of VR applications // Frontiers in Virtual Reality. 2021. V. 2. p. 698123. DOI:https://doi.org/10.1145/502390.502405
29. Poupyrev I., Billinghurst M., Weghorst S., Ichikawa T. The Go-Go Interaction Technique: Non-linear Mapping for Direct Manipulation in VR // Proceedings of the 9th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST ’96). 1996. pp. 79–80. DOIhttps://doi.org/10.1145/237091.237102
30. Suter S., Fröhlich B. Design and evaluation of a dynamic menu system for immersive virtual environments // Journal of Virtual Reality and Broadcasting. 2010. V. 7. I. 3. pp. 1–15. DOI:https://doi.org/10.1145/3489849.3489890
31. Teather R.J., Stuerzlinger W. Pointing at 3d target projections with one-eyed and stereo cursors // Proceedings of the SIGCHI Conference on Human Factors in Computing Systems. 2013. pp. 159–168. DOI:https://doi.org/10.1145/2470654.247067
32. Wang Z., Rao M., Ye S., Song W., Lu F. Towards spatial computing: recent advances in multimodal natural interaction for XR headsets // arXiv preprint. 2025. arXiv:2502.07598 DOI: https://doi.org/10.1007/s11704-025-41123-8
33. Yeo A., Kwok B.W., Joshna A., Chen K., Lee J.S. Entering the next dimension: A review of 3D user interfaces for virtual reality // Electronics. 2024. V. 13. I. 3. p. 600. DOI:https://doi.org/10.3390/electronics13030600
34. Zhai S., Kristensson P.O. The word-gesture keyboard: reimagining keyboard interaction // Communications of the ACM. 2012. V. 55. I. 9. pp. 91–101. DOIhttps://doi.org/10.1145/3733155.3736593 DOI: https://doi.org/10.1145/2470654.247067
35. Zouhaier L., Hlaoui Y.B.D., Ayed L.B. A reinforcement learning based approach of context-driven adaptive user interfaces // In: 2021 IEEE 45th Annual Computers, Software, and Applications Conference (COMPSAC). 2021. pp. 1463–1468. DOI:https://doi.org/10.1109/COMPSAC51774. 2021.00217 DOI: https://doi.org/10.1109/COMPSAC51774.2021.00217
